知識力

❒ 相(Phase)
「相(Phase)」是指「原子的排列方式」，每一種不同的原子排列方式，就稱為一種相(Phase)，例如：固體稱為「固相」；液體稱為「液相」；氣體稱為「氣相」。其中固體材料最常見的原子排列方式有三種，分別是單晶相、多晶相、非晶相：
➤單晶(Single crystal)：如果整塊固體材料都形成結晶，則稱為「單晶(Single crystal)」。如＜圖一(a)＞所示，可以將圖中的圓形想像成原子，我們將立體的原子排列簡化成平面的圓形來表示，由圖中可以看出整塊固體中的每一個原子都排列得很整齊。
➤多晶(Poly crystal)：如果整塊固體材料的局部區域(大約數百奈米)形成結晶，則稱為「多晶(Poly crystal)」。如＜圖一(b)＞所示，由圖中可以看出整塊固體中只有局部區域的原子排列得很整齊，這些「局部區域」的大小約在數百奈米(nm)左右，而且不同的區域之間原子排列的方向不同，會形成「晶界(Grain boundary)」，但是整塊固體材料的原子排列看起來其實是有點混亂的。
➤非晶(Amorphous)：如果整塊固體材料都沒有形成任何結晶，則稱為「非晶(Amorphous)」。如＜圖一(c)＞所示，由圖中可以看出整塊固體中的原子都排列得很混亂，沒有任何規則，因為也沒有「晶界(Grain boundary)」存在。知識力www.ansforce.com。

圖一　固體材料的結晶性質。

❒ 相變化(Phase transformation)
材料由一種相轉變成另外一種相稱為「相變化(Phase transformation)」，例如：材料由單晶相變成非晶相，非晶相變成單晶相等，要使固體材料進行相變化，最常使用的方法有兩種：
➤退火(Anneal)：先使固體材料升高溫度，再「緩慢冷卻」可以形成「單晶(Single crystal)」，單晶材料原子排列整齊「電阻小(低阻態)」。當固體材料的溫度升高，則原子與原子之間的距離增加，原子振動變大開始左右微小地移動，原子的排列會變得混亂，如果此時我們進行「緩慢冷卻」，則原子的溫度會緩慢地下降，不同固體材料的原子本來就有各自的單晶排列方式
➤焠火(Quench)：先使固體材料升高溫度，再「快速冷卻」可以形成「非晶(Amorphous)」，非晶材料原子排列混亂「電阻大(高阻態)」。當固體材料的溫度升高，則原子與原子之間的距離增加，原子振動變大開始左右微小地移動，原子的排列會變得混亂，如果此時我們進行「快速冷卻」，則原子瞬間因為降溫而被凍住，停留在混亂的狀態，因此可以得到「非晶相」。

固體材料的溫度要升到多高才足夠變成非晶相，則與固體材料的熔點有關，熔點愈高的固體材料原子愈不容易振動，所以需要愈高的溫度，一般而言，要使固體材料變成非晶相，大約要將溫度上升到熔點(Melting point)的一半以上才夠，例如：矽的熔點大約1400°C，則要使單晶矽變成非晶矽，至少要加熱到700°C以上。加熱的溫度並不是愈高愈好哦！溫度太高固體材料會變形，更不能加熱到熔點，否則固體就變成液體囉！知識力www.ansforce.com。

❒ 相變隨機存取記憶體(PCRAM)的構造
相變隨機存取記憶體(PCRAM)的構造如＜圖一＞所示，直接在矽晶圓上使用濺鍍法成長一層「高阻抗」金屬電極，高阻抗代表電阻大容易產生高溫來加熱相變化材料，再使用濺鍍法成長一層「相變材料」，最後再以化學氣相沉積法(CVD)成長一層「高阻抗」金屬電極，並且使用光罩、曝光、顯影、蝕刻將金屬層蝕刻成金屬導線，金屬導線必須分布在每一個位元(bit)，用來存取每一個位元(bit)的資料。
➤高阻態(HRS：High Resistance State)：單晶相變材料電阻值高。
➤低阻態(LRS：Low Resistance State)：非晶相變材料電阻值低。
➤重置(Reset)：上下金屬電極加熱相變材料再快速冷卻進行「焠火(Quench)」，使相變材料由單晶低阻態(LRS)轉變為非晶高阻態(HRS)，如＜圖二(a)＞所示。
➤設定(Set)：上下金屬電極加熱相變材料「退火(Anneal)」，使相變材料由非晶高阻態(HRS)轉變為單晶低阻態(LRS)，如＜圖二(b)＞所示。

圖二　相變隨機存取記憶體(PCRAM)的構造示意圖。

❒ 相變隨機存取記憶體(PCRAM)的工作原理
PCRAM的工作原理與相變光碟(CD-RW)相似，都是利用相變材料，例如：鍺(Ge)、銻(Sb)、碲(Te)的硫化物，在「單晶相」與「非晶相」之間轉換來代表0與1，唯一的差別在於相變光碟是利用光學讀取頭(雷射二極體)發出的雷射光來加熱相變化材料進行退火與焠火，而PCRAM是利用高阻抗金屬電極產生熱量來加熱相變化材料進行退火與焠火，寫入資料的原理如＜圖三＞所示：
➤寫入資料0：電流由上層與下層的高阻抗金屬電極流入產生熱量加熱相變材料，再快速冷卻(焠火)形成「非晶相」，如＜圖三(a)＞所示。
➤寫入資料1：電流由上層與下層的高阻抗金屬電極流入產生熱量加熱相變材料，再緩慢冷卻(退火)形成「單晶相」，如＜圖三(b)＞所示。知識力www.ansforce.com。

PCRAM讀取資料是利用單晶相與非晶相的導電性不同，直接經由連接在每個位元上下方的金屬導線讀取資料，量測單晶相與非晶相的電壓，讀取資料的原理如＜圖三＞所示：
➤讀取資料1：當相變材料為「單晶相」時，導電性較佳(電阻較小)，如＜圖三(c)＞所示。
➤讀取資料0：當相變材料為「非晶相」時，導電性較差(電阻較大)，如＜圖三(d)＞所示。

圖三　相變隨機存取記憶體(PCRAM)的工作原理示意圖。

❒ 相變隨機存取記憶體(PCRAM)的優缺點
➤優點
1.屬於「非揮發性記憶體」，電源關閉後資料仍然可以保存。
2.不像快取記憶體(Flash ROM)需要高電壓強迫電子注入浮動閘極，所以耗電量較低。
3.不像硬碟機(HDD)需要使用旋轉馬達與讀取頭，所以很省電、耐撞擊、不跳針。
➤缺點
1.必須使用高電流加熱相變材料，高電流造成耗電量較大。
2.不同的材料熱膨脹係數不同，重覆讀寫可能造成薄膜剝離，原本也可能無法重覆排列成單晶。
3.必須使用各種熱相變材料(鍺、銻、碲的硫化物)，製程不夠成熟，良率較低。
4.許多專利由國外公司掌握，如果支付專利費用，則生產成本較高，售價也較高。
 

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「光電科技與新儲存產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞