从传统的Flash存储器到纳米存储器的演化,是半导体存储器发展的历史趋势和历史必然。预计到2010年左右,纳米晶粒浮栅MOSFET存储器将会取代现在流行的多晶硅薄层浮栅MOSFET存储器而成为非挥发性存储器市场上的主流产品。纳米存储器早已在科技界以及各大国际半导体公司中引起了广泛的研究兴趣。纳米存储器在进入大生产领域之前,有许多难题急待解决,其中之一就是这类器件还存在着工作电压和长久存储之间的矛盾。目前的所发表的一些纳米存储器模型的保留时间远不能达到应用水平。为了解决上述矛盾,优化器件的存储特性,我们提出了一种新型的存储器结构单元——锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器。这种新型器件有着突出的结构特点,就是在以锗/硅异质纳米晶粒代替硅纳米晶粒作为MOSFET存储器的浮置栅极之后,单一的隧穿势垒变成了台阶状的复合势垒。通过对电荷隧穿特性的分析,显示了台阶状复合势垒使得电荷的隧穿不仅与方向有关,而且与电荷的能量有关。正是由于这一台阶状复合势垒的作用,使得器件的存储特性有了很大改进。与硅纳米存储器相比,在擦写时间基本不变的情况下,器件的保留时间有了几个数量级的增长,可达十年以上。本文采用顺序隧穿理论和巴丁传输哈密顿方法,在分析硅基纳米存储器的势结构和价带混合效应对隧穿过程影响的基础上,建立了电子和空穴直接隧穿特征时间的计算模型。并且结合实际的器件结构,分析了结构参数对硅基纳米存储器的编程速度和保留时间的影响,指出需要新的器件结构模型来优化硅基纳米存储器的保留特性。本文数值研究了n沟道和p沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米MOSFET存储器的时间特性。n沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器在低压和薄的隧穿氧化层厚度下擦写速度达到ns级,可实现快速编程。硅纳米结构高度的变化对保留时间的影响非常显著,而对写入时间的影响相对较小。由于台阶状势垒的作用,与硅纳米结构浮栅纳米存储器相比,n沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器的保留时间有三个量级以上的提高。由于有着较高的价带带边和台阶状的势垒,锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器对空穴的存储会更加有效。模拟结果显示了p沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器在隧穿氧化层厚度为2 nm,栅压为3 V时,可以实现μs量级的编程,而保留时间长达十年(约108 sec)。与p沟道硅纳米结构浮栅纳米存储器和n沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器相比,保留时间分别有107和105倍的增长,而擦写时间变化不大。由此可知,p沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器可以作为性能优良的非挥发性存储器单元。这种新型的存储器模型有效地解决了快速擦写编程和长久存储的矛盾,存储性能得到了很大改善。