أشباه الموصلات الطبقية قد تكون القفزة التالية في تخزين الذاكرة

أشباه الموصلات هي اللبنات الأساسية لمعظم الإلكترونيات الحديثة، وتزود الطاقة لكل شيء من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر إلى المركبات الكهربائية وأنظمة الذكاء الاصطناعي والمعدات الصناعية. 

إنها التقنية الأساسية وراء الدوائر المتكاملة (IC)، المعروفة أيضًا بالرقائق، مما يتيح إنشاء أجهزة أسرع وأصغر وأكثر كفاءة. 

أما عن ماهية أشباه الموصلات، فهي مواد ذات توصيل كهربائي يقع بين الموصلات والعوازل. السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) والزرنيخ الغاليوم (GaAs) هي بعض الأمثلة. 

تسمح بمرور التيارات الكهربائية اعتمادًا على عوامل مثل درجة الحرارة المحيطة أو المجال المغناطيسي الذي تتعرض له. يمكن تعديل توصيلية أشباه الموصلات عبر عملية تُسمى التطعيم، حيث تُضاف شوائب إليها. 

إلى جانب كونها أساس الدوائر المتكاملة، تشمل تطبيقات أشباه الموصلات الترانزستورات التي تُستخدم للتبديل والتضخيم في الدوائر الإلكترونية. تُستخدم أشباه الموصلات أيضًا في الألواح الشمسية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء وكذلك في الثنائيات التي تسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد. 

التحول نحو هياكل أشباه الموصلات الطبقية

مع استمرار تطور أشباه الموصلات، تكتسب أشباه الموصلات الهجينة العضوية-غير العضوية اهتمامًا كبيرًا بفضل كفاءتها العالية في الخلايا الشمسية وتطبيقاتها في الصمامات الثنائية المضيئة (LEDs). تجمع بين مرونة وتكلفة المواد العضوية وخصائص المواد غير العضوية الإلكترونية في مادة واحدة. 

تتمتع هذه الأشباه الموصلات الطبقية بهيكل من طبقات متميزة من المكونات العضوية وغير العضوية يمكن ترتيبها للحصول على خصائص ووظائف فريدة، وتُعد مواد الجيل التالي للاستخدام في الأجهزة الضوئية الإلكترونية عالية الأداء. 

في مجال أشباه الموصلات الطبقية، قبل بضع سنوات، أظهر باحثون من الجامعة الوطنية الأسترالية عملية تصنيع جديدة بنمط ‘السندويچ’ لتحقيق إلكترونيات ذات طاقة منخفضة للغاية تعتمد على جسيمات هجينة من الضوء والمادة تُسمى الإكسايون-بولاريتون. 

في هذه التجربة، وُضع شبه موصل رقيق بسمك ذرة واحدة بين مرآتين أظهرتا انتشارًا قويًا، بلا فقدان، وعلى مسافات طويلة لإكسايون (إلكترون مرتبط بثقب) مختلط بالضوء المتقافز بين المرايا المتوازية. 

عملية التصنيع بنمط ‘السندويچ’ لتجويف بصري عالي الجودة قللت من الضرر على شبه الموصل الرقيق ذريًا بينما زادت التفاعل بين الإكسايونات والفوتونات. 

المادة الرقيقة ذريًا لم تكن هي الأهم هنا؛ بل كان المفتاح هو بناء التجويف الميكروي. وقد تم بناؤه عن طريق رص المكونات واحدة تلو الأخرى بدءًا بالمرآة السفلية ثم طبقة شبه الموصل وأخيرًا مرآة في الأعلى. ومع ذلك، تم تصنيع الهيكل العلوي بشكل منفصل لتجنب إتلاف شبه الموصل الرقيق ذريًا والحفاظ على خصائص الإكسايونات. 

بينما ركزت هذه الدراسة على تفاعلات الضوء والمادة في أشباه الموصلات الفائقة الرقة، تدفع فرق بحثية أخرى المواد الهجينة نحو تخزين الذاكرة. 

أشباه الموصلات الهجينة ZnTe تكشف عن قدرات ذاكرة متقدمة

من بين أشباه الموصلات الطبقية، يلقى β‑ZnTe(en)₀.₅ اهتمامًا خاصًا بفضل ترتيبه البنيوي المتفوق وثباته الطويل مقارنةً بمعظمها. 

هنا، يتيح دمج طبقة المادة العضوية خصائص بصرية قابلة للتعديل، وتغييرات في بنية الحزمة، وزيادة طاقة ربط الإكسايون. 

لذلك، توصل باحثون من جامعة ولاية واشنطن إلى جانب باحثين من جامعة نورث كارولينا في شارلوت إلى مادة طبقية¹ يمكنها تغيير شكلها بشكل كبير عند تعريضها للضغط، مما يثبت قدرتها على مساعدة الحواسيب في تخزين المزيد من البيانات باستخدام طاقة أقل. 

المادة تعتمد على الزنك تلوريد الهجين (ZnTe) وقد أظهرت الدراسة أنها تمر بتغييرات بنيوية مذهلة عند ضغطها معًا. 

الزنك تلوريد هو مادة شبه موصل ذات فجوة طاقة مباشرة تبلغ حوالي 2.26 eV. تسمح الفجوة المباشرة بإصدار وامتصاص الضوء بكفاءة، مما يجعل ZnTe مناسبًا لتطبيقات الضوئية الإلكترونية بما في ذلك الخلايا الشمسية، وكواشف الضوء، والصمامات الثنائية المضيئة، وكذلك في بطاريات الليثيوم أيون، وصمامات الليزر، ومولدات الميكروويف، والأجهزة الإلكترونية عالية السرعة. 

التغييرات البنيوية التي مرت بها المادة القائمة على ZnTe الهجينة في الدراسة الأخيرة، التي تم تمويلها من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، تجعلها مرشحًا واعدًا لذاكرة تغير الطور (PCM). 

PCM هو نوع من الذاكرة العشوائية غير المتطايرة (RAM) التي تعمل بطريقة مختلفة عن الذاكرة الموجودة في أجهزتنا. إنها تخزين بيانات فائق السرعة وطويل الأمد لا يحتاج إلى مصدر طاقة مستمر. 

يستفيد هذا النوع من الذاكرة من التغييرات في طور المادة، بين الحالة غير المتبلورة والمتبلورة. يؤثر هذا التغيير الطوري على المقاومة الكهربائية للمادة، مما يسمح بتخزين البيانات واسترجاعها. 

وفقًا للدراسة، مشابهًا لـ In2Se3 (سيلينيد الإنديوم(III)) الذي يخضع لتغييرات طورية عند ضغوط معتدلة، يمكن أيضًا استغلال عدة أطوار من ZnTe(en)₀.٥ في أجهزة الذاكرة. 

In2Se3 وسيلينيد الإنديوم (InSe) هما مواد أشباه موصلات طبقية تُظهر مجموعة متنوعة من الهياكل البلورية والأطوار. 

دراسة مثيرة للاهتمام من أواخر العام الماضي اكتشفت فعليًا طريقة موفرة للطاقة لتحويل البلورات إلى زجاج، مقدمةً حلاً عالي الكفاءة للأجهزة التي تستخدم PCM. 

تعتمد PCM حاليًا على عملية مستهلكة للطاقة بشكل كبير، تتضمن تسخين البلورات فوق 800°C باستخدام الليزر أو النبضات الكهربائية ثم تبريد سريع. أظهرت الدراسة التي أجراها باحثون من IISc وUPenn وMIT أن سيلينيد الإنديوم يتيح التحول من الصلب إلى الزجاج عبر “صدمات ذاتية” داخلية، وبالتالي لا حاجة لدرجات حرارة مرتفعة. 

ما يحدث هنا هو عندما يُطبق التيار الكهربائي على البنية الرقيقة الطبقية لسيلينيد الإنديوم، تنزلق الطبقات في اتجاهات مختلفة، مكونةً مناطق يتماسك فيها الذرات بنماذج محددة مفصولةً بحدود تشبه الصفائح التكتونية، وعند تصادمها تُنتج صدمات ميكانيكية وكهربائية صغيرة. 

كل واحدة من هذه الصدمات تُزعزع بنية البلورة، مما يخلق بدائل صغيرة تتحول إلى زجاج، والتي في النهاية تنتشر عبر كامل المادة. 

“تراجع البحث في PCM بسبب صعوبة العثور على مواد مناسبة. لكن الآن، بنية 2D والخصائص الفريدة لسيلينيد الإنديوم تلاقت لتخلق هذا المسار منخفض الطاقة للغاية لتصبح المادة غير متبلورة عبر الصدمات،” قال المؤلف المشارك بافان نوكالا، مضيفًا أنهم “يسعون لدمج هذه الأجهزة على منصات CMOS.” 

انقر هنا لتعرف ما إذا كانت أشباه الموصلات العضوية تجمع بين فوائد الجرافين والسيليكون.

تحولات بنيوية دراماتية ناتجة عن الضغط

في الدراسة الأخيرة، المادة المصنوعة تُدعى β‑ZnTe(en)₀.٥ وتتكون من طبقات متناوبة من الزنك تلوريد. 

إلى جانب طبقات ZnTe ذات السُمك أحادي الطبقة المتناوبة، استخدم الفريق الإيثيلين ديامين (en=C2N2H8) كمركب عضوي. وهو مركب يُستعمل كعنصر بناء لإنتاج المنتجات الكيميائية. كحسّاس للاتصال، يمكنه إنتاج تفاعلات محلية وعامة على حد سواء. 

مقارنةً بنية المادة بسندويچ، أشار المؤلف المشارك في الدراسة مات ماككلوسكي، أستاذ الفيزياء في جامعة ولاية واشنطن، إلى أن: 

“تخيل طبقات من السيراميك والبلاستيك مكدسة فوق بعضها. عندما تطبق الضغط، تنهار الأجزاء الناعمة أكثر من الصلبة.”

لتطبيق الضغط، استخدموا خلية مِسنَّة ماسية (DAC)، جهاز ضغط عالي يُستعمل في تجارب علوم المواد والهندسة لدراسة المواد تحت ظروف قصوى. يتيح DAC ضغط عينة صغيرة إلى ضغوط هائلة. 

لذا، استخدم الفريق DAC لتطبيق ضغط هائل ثم راقب التغييرات في المادة باستخدام نظام الأشعة السينية. 

كان نظام حيود الأشعة السينية (XRD) هو ما جعل البحث ممكنًا فعليًا، حيث تم الحصول عليه قبل بضع سنوات بأكثر من مليون دولار بمساعدة مؤسسة ماردوك الخيرية. 

XRD هو تقنية مخبرية تستخدم الأشعة السينية للكشف عن معلومات بنيوية مثل بنية البلورة والتركيب الكيميائي للمواد. سمحت هذه الطريقة القوية للباحثين بمراقبة تغييرات بنيوية دقيقة في المادة أثناء حدوثها. 

في حين أن هذه التجارب عادةً ما تُجرى في مرافق وطنية مثل مصدر الضوء المتقدم في مختبر بيركلي الوطني بولاية كاليفورنيا، مما يتطلب وقتًا طويلاً، فإن الباحثين بفضل المعدات المتخصصة تمكنوا من إجراء كل ذلك في حرم جامعة ولاية واشنطن في بولمان، وهذا ما يجعل الأمر “أكثر إثارة”. 

“تمكننا من إجراء هذه التجارب ذات الضغط العالي في الحرم الجامعي من منحنا المرونة للتعمق حقًا في ما كان يحدث. اكتشفنا أن المادة لم تتقلص فقط — بل غيرت بنية داخلية بشكل كبير.”

– ماككلوسكي

أظهر الملاحظة أن المادة مرت بمرحلتين تغير طوري عند ضغوط منخفضة قدرها 2.1 و3.3 جيجاباسكال (GPa). كان التغيير في بنية المادة دراماتيًا في كلتا الحالتين، حيث شهد انكماشًا يصل إلى 8٪. 

تم التحقق من التغييرات التي رُصدت في XRD باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وهي تقنية تُستخدم للحصول على طيف تحت الأحمر للانبعاث أو الامتصاص لصلب أو سائل أو غاز. كما أظهرت تغييرات في أوضاع الاهتزاز عند كل من ضغوط الانتقال الطوري. 

التطبيقات المستقبلية المحتملة

تشير الانتقال الطوري للمادة إلى تغييرات في بنيةها على المستوى الذري نتيجة لتغير الظروف الخارجية مثل الضغط أو الحرارة. في هذه الدراسة، حدثت التغييرات بين حالتين صلبتين، حيث أعادت الذرات ترتيبها إلى تكوين أكثر كثافة. 

يمكن لمثل هذه الانتقالات أن تغير بشكل كبير بعض خصائص المواد، مثل طريقة إصدارها للضوء أو توصيلها للكهرباء. 

نظرًا لأن الأطوار البنيوية المختلفة عادةً ما تمتلك خصائص بصرية وكهربائية مختلفة، يُعتقد أنها مفيدة في ترميز المعلومات الرقمية، وهو أساس ذاكرة تغير الطور. 

انتقالات β‑ZnTe(en)₀.٥، وفقًا للدراسة، حدثت عند ضغوط أقل بكثير من أدنى تحول طور تم الإبلاغ عنه للزنك تلوريد النقي. 

“معظم المواد من هذا النوع تحتاج إلى كميات هائلة من الضغط لتغيير بنيةها، لكن هذه المادة بدأت تتحول عند عُشر الضغط الذي نراه عادةً في الزنك تلوريد النقي. هذا ما يجعل هذه المادة مثيرة للاهتمام — فهي تُظهر تأثيرات كبيرة عند ضغوط أقل بكثير.”

لكن هذا ليس كل شيء. تشير نتائج الدراسة إلى استجابة ضغط عالية التباين للمواد، مما يعني أن الخاصية تختلف في المقدار باتجاهات مختلفة، مع كون الطبقة العضوية حساسة جدًا لتغييرات الضغط. 

إن دمج الحساسية الاتجاهية، حيث يغير اتجاه ضغط المادة سلوكها، مع البنية الطبقية يجعل المادة أكثر قابلية للتعديل، مما يفتح الباب لحالات إضافية مثل الفوتونيات، حيث يُستخدم الضوء لنقل وتخزين المعلومات. 

المادة في الواقع تُصدر ضوءًا فوق بنفسجي، ويعتقد الباحثون أن توهجها قد يتغير أيضًا حسب طورها. هذه القدرة يمكن أن تجعل β‑ZnTe(en)₀.٥ مفيدة في الألياف الضوئية أو الحوسبة الضوئية. 

بينما تُظهر إمكانات هائلة كمادة ذاكرة تجارية، لا يزال β‑ZnTe(en)₀.٥ في مرحلة تطوير مبكرة جدًا ” كما يوضح ميلر: 

“نحن فقط نبدأ في فهم ما يمكن أن تفعله هذه المواد الهجينة.”

الخطوة التالية للفريق في الدراسة هي معرفة كيفية استجابة المادة لتغييرات الحرارة ثم التحقيق في ما يحدث عندما يُطبق كل من الحرارة والضغط على المادة. بهذه الطريقة، سيُنشئ الباحثون خريطة أكثر شمولًا لسلوكيات وإمكانات β‑ZnTe(en)₀ للمادة. 

الاستثمار في أشباه الموصلات

في عالم أشباه الموصلات، تُعد شركة NVIDIA Corporation (NVDA ) ذات القيمة السوقية البالغة 2.8 تريليون دولار هي الاسم الأكبر، التي تهيمن على تقنيات الذكاء الاصطناعي ووحدات معالجة الرسوميات. تشمل اللاعبين البارزين الآخرين في المجال شركة Intel Corporation (INTC ) التي توسع نشاطها إلى الذكاء الاصطناعي والذاكرة المتقدمة، وشركة Advanced Micro Devices (AMD ) ذات القيمة السوقية 160 مليار دولار، التي تستكشف تقنيات أشباه الموصلات الناشئة. 

ولكن اليوم، سنلقي نظرة أعمق على Micron (MU ), التي تتخصص في الذاكرة والتخزين، بما في ذلك ذاكرة تغير الطور (PCM). مع تزايد الاعتماد على الذاكرة والتخزين كعنق زجاجة في الحوسبة الحديثة، تبرز Micron كواحدة من القليل من الشركات التي تواجه هذا التحدي مباشرة. ومع تزايد الطلب من الذكاء الاصطناعي، والبنية التحتية السحابية، والأجهزة الطرفية، تجعل قيادة Micron في كل من DRAM وNAND، إلى جانب عملها على تقنيات الجيل التالي مثل ذاكرة تغير الطور، منها لاعبًا حاسمًا يجب مراقبته في مجال أشباه الموصلات. 

Micron Technology (MU )

مزود حلول الذاكرة والتخزين يقدم مجموعة من منتجات DRAM وNAND وNOR عالية الأداء. 

تعمل عبر وحدة الأعمال للحوسبة والشبكات (CNBU)، التي توفر حلولًا لسوق مراكز البيانات والرسومات وأجهزة الكمبيوتر والأسواق الشبكية، ووحدة الأعمال للهواتف المحمولة (MBU) التي تخدم أسواق الهواتف الذكية وغيرها من الأجهزة المحمولة، ووحدة الأعمال المدمجة (EBU) التي تخدم الأسواق الصناعية، والسيارات، والملكية المستهلكية المدمجة، ووحدة الأعمال للتخزين (SBU) التي تشمل أقراص SSD وحلول التخزين على مستوى المكونات. 

الشركة هي الأولى التي تشحن حلول الذاكرة HBM3E وSOCAMM عالميًا لخوادم الذكاء الاصطناعي بالتعاون مع NVIDIA. 

تبلغ القيمة السوقية لشركة Micron 90.2 مليار دولار، وتُتداول أسهمها عند 79.55 دولار، بانخفاض حوالي 4٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو 4.14، ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) هو 19.51، وعائد السهم الموزع لا يتجاوز 0.57٪. 

في مارس، أعلنت الشركة عن النتائج المالية للربع الثاني من السنة المالية 2025، التي انتهت في 27 فبراير 2025، كاشفةً عن إيرادات بلغت 8.05 مليار دولار، بانخفاض عن 8.71 مليار دولار في الربع السابق ولكن بارتفاع عن 5.82 مليار دولار في نفس الفترة من العام الماضي. 

كان صافي الدخل وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) 1.58 مليار دولار، أي 1.41 دولار للسهم المخفف، بينما كان صافي الدخل غير GAAP 1.78 مليار دولار، أي 1.56 دولار للسهم المخفف. وبلغ التدفق النقدي التشغيلي للفترة 3.94 مليار دولار. 

“قدمت Micron ربح السهم للربع الثاني من السنة المالية أعلى من التوجيه” و”إيرادات مراكز البيانات تضاعفت ثلاث مرات مقارنة بالعام الماضي”، قال الرئيس التنفيذي سانجاي مهروترا مشيرًا إلى إطلاق عقدة DRAM من الجيل الأول (1‑gamma) التي توسع ريادة الشركة التقنية.  في الربع الثالث، تتوقع Micron تحقيق “إيرادات ربع سنوية قياسية… مع نمو طلب DRAM وNAND في كل من أسواق مراكز البيانات والأسواق الموجهة للمستهلكين.” 

أحدث الأخبار عن Micron Technology

الخلاصة

كعمود فقري للإلكترونيات الحديثة، تُعد أشباه الموصلات أساسية للتقدم التكنولوجي. إن الابتكار في تكنولوجيا أشباه الموصلات هو ما أدى إلى منتجات جديدة ومحسنة وكذلك إلى اختراقات في كل شيء من الهواتف الذكية إلى أنظمة الذكاء الاصطناعي. 

في هذا السياق، يمثل البحث الجديد تحولًا كبيرًا من خلال تجاوزه للهياكل التقليدية القائمة على السيليكون إلى الهجائن العضوية-غير العضوية الطبقية. اكتشاف قدرة المادة الفريدة على خضوعها لتغييرات طورية عند ضغوط منخفضة مع قابلية تعديل بنية يفتح آفاقًا جديدة للمواد في مجال الضوئية الإلكترونية ويجعل β‑ZnTe(en)₀.٥ مرشحًا واعدًا لتقنيات الذاكرة ذات الكفاءة الطاقية العالية والأداء المتفوق. 

يمكن أن يفتح الاستكشاف الإضافي تحت ظروف حرارية متغيرة تطبيقات جديدة تمامًا للمادة في الحوسبة الضوئية، والألياف الضوئية، وتخزين البيانات منخفض الطاقة، مما يمثل فصلًا مثيرًا في الثورة المستمرة لأشباه الموصلات. 

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم معدات أشباه الموصلات.

الدراسات المشار إليها:

1. Miller, J. C., Wang, Y., Zhang, Y., Schmedake, T. A., & McCluskey, M. D. (2025). Phase transitions of β-ZnTe(en)₀.₅ under hydrostatic pressure. AIP Advances, 15(4), 045308. https://doi.org/10.1063/5.0266352