Lagdelte halvledere kan være det næste spring i hukommelseslagring

Halvledere er de grundlæggende byggesten i næsten al moderne elektronik og driver alt fra smartphones og computere til elbiler, AI‑systemer og industrielt udstyr.

De er kerne‑teknologien bag integrerede kredsløb (IC), også kendt som chips, som muliggør fremstilling af hurtigere, mindre og mere effektive enheder.

Halvledere er materialer med en elektrisk ledningsevne mellem ledere og isolatorer. Silicium (Si), germanium (Ge) og galliumarsenid (GaAs) er nogle eksempler.

De tillader elektrisk strøm at passere afhængigt af faktorer som den omgivende temperatur eller det magnetfelt, de udsættes for. Ledningsevnen i halvledere kan justeres gennem en proces kaldet doping, hvor urenheder tilsættes.

Udover at være grundlaget for IC’er omfatter halvledernes anvendelser transistorer, som bruges til at skifte og forstærke i elektroniske kredsløb. Halvledere bruges også i solpaneler til at omdanne sollys til elektricitet samt dioder, der tillader strøm at flyde i én retning.

Skiftet mod lagdelte halvlederarkitekturer

Efterhånden som halvledere fortsætter med at udvikle sig, får organisk‑ukristallinske hybridhalvledere stor opmærksomhed på grund af deres høje solcelleeffektivitet og anvendelser i lysdioder (LED’er). De kombinerer fleksibiliteten og omkostningseffektiviteten fra organiske materialer med de elektroniske egenskaber fra uorganiske materialer i ét materiale.

Disse lagdelte halvledere, som har en struktur af tydelige lag af organiske og uorganiske komponenter, der kan arrangeres for unikke egenskaber og funktionaliteter, udgør næste generations materialer til brug i højtydende optoelektroniske enheder.

Inden for lagdelte halvledere demonstrerede forskere fra Australian National University for nogle år siden en ny ‘sandwich‑stil’ fremstillingsproces for at opnå ultralavenergi‑elektronik baseret på lys‑materie‑hybridpartikler, exciton‑polaritoner.

Her blev en én‑atom‑tynd halvleder placeret mellem to spejle, som viste robust, dissipationfri, langtrækkende propagation af en exciton (en elektron bundet til et hul), blandet med lys, der hopper mellem parallelle spejle.

Den ‘sandwich‑stil’ fremstillingsproces for en høj‑kvalitets optisk mikrokavitet minimerede skader på den atomisk tynde halvleder, samtidig med at interaktionen mellem excitonerne og fotonerne maksimeredes.

Det atomisk tynde materiale var dog ikke det vigtige her; i stedet var nøglen konstruktionen af mikrokaviteten. Den blev bygget ved at stable komponenterne én efter én med det nederste spejl først, derefter et halvlederlag og til sidst et spejl øverst. Den øverste struktur blev dog fremstillet separat for at undgå at beskadige den atomisk tynde halvleder og bevare excitonernes egenskaber.

Mens denne undersøgelse fokuserede på lys‑materie‑interaktioner i ultratynde halvledere, presser andre forskerhold hybridmaterialer i retning af hukommelseslagring.

Hybrid‑ZnTe‑halvleder afslører avancerede hukommelseskapaciteter

Blandt lagdelte halvledere har β‑ZnTe(en)₀.₅ i særdeleshed fået særlig opmærksomhed på grund af sin overlegne strukturelle orden samt længere stabilitet end de fleste.

Her muliggør indarbejdelsen af det organiske lag justerbare optiske egenskaber, ændringer i båndstrukturen og en øget excitonbindingsenergi.

Så forskere fra Washington State University sammen med dem fra University of North Carolina at Charlotte udviklede et lagdelt materiale¹ der kan ændre sin form dramatisk, når det udsættes for tryk, og demonstrerer dets evne til at hjælpe computere med at gemme mere data ved mindre energiforbrug.

Materialet er baseret på hybridzinktellurid (ZnTe), som undersøgelsen viste gennemgår fantastiske strukturelle ændringer, når det komprimeres.

Zinktellurid er et halvledermateriale med et direkte båndgab på omkring 2,26 eV. Det direkte båndgab muliggør effektiv lysudsendelse og -absorption, hvilket gør ZnTe egnet til optoelektroniske anvendelser, herunder solceller, fotodetektorer og LED’er samt i lithium‑ion‑batterier, laserdioder, mikrobøllegeneratorer og højhastighedselektroniske enheder.

De strukturelle ændringer, som det hybrid‑ZnTe‑baserede materiale gennemgik i den seneste undersøgelse, som blev finansieret af det amerikanske energiministerium, gør det til en lovende kandidat til faseændringshukommelse (PCM).

PCM er en type ikke‑flygtig random‑access‑hukommelse (RAM), der fungerer anderledes end den hukommelse, vi har i vores enheder. Det er ultrahurtig og langtidsholdbar datalagring, som ikke kræver en konstant strømkilde.

Denne hukommelsestype udnytter ændringerne i materialets fase, mellem amorfe og krystallinske tilstande. Denne faseændring påvirker materialets elektriske modstand, hvilket gør det muligt at gemme og hente data.

Ifølge undersøgelsen kan, ligesom In₂Se₃ (indium(III) selenid), der gennemgår faseændringer ved moderate tryk, flere faser af ZnTe(en)₀.₅ også udnyttes i hukommelsesenheder.

In₂Se₃ og indiumselenid (InSe) er lagdelte halvledermaterialer, der udviser en række krystallstrukturer og faser.

En interessant undersøgelse fra sent sidste år opdagede faktisk en energieffektiv metode til at omdanne krystaller til glas, hvilket præsenterer en højeffektiv løsning for enheder, der bruger PCM.

PCM er i øjeblikket afhængig af en meget energiintensiv proces, som involverer opvarmning af krystaller over 800 °C med laser eller elektriske pulser efterfulgt af hurtig afkøling. Undersøgelsen, udført af forskere fra IISc, UPenn og MIT, afslørede, at indiumselenid muliggør overgangen fra fast til glas gennem interne “selv‑shocks”, så der ikke er behov for høje temperaturer.

Det, der sker her, er at når en elektrisk strøm påføres den tynde, lagdelte struktur af indiumselenid, glider lagene i forskellige retninger, hvilket skaber områder, hvor atomerne er arrangeret i specifikke mønstre adskilt af grænser, som fungerer som tektoniske plader, og når de kolliderer, genererer de små mekaniske og elektriske chok.

Hvert af disse chok forstyrrer krystalstrukturen, hvilket igen skaber små pletter, der omdannes til glas, som til sidst spreder sig over hele materialet.

“PCM‑forskning havde bremset på grund af udfordringen med at finde egnede materialer. Men nu har den 2D‑struktur og de unikke egenskaber ved indiumselenid konvergeret for at skabe denne ultralave‑energi‑vej til amorfisering via chok,” sagde medforfatter Pavan Nukala, som tilføjede, at de “arbejder på at integrere disse enheder på CMOS‑platforme.”

Klik her for at lære, om organiske halvledere kombinerer fordelene ved grafen og silicium.

Dramatiske trykinducerede strukturelle transformationer

I den seneste undersøgelse kaldes det fremstillede materiale β‑ZnTe(en)₀.₅, og det består af skiftende lag af zinktellurid.

Ud over de skiftende lag af to‑monolags‑tykke ZnTe brugte holdet ethylenediamin (en=C2N2H8) som den organiske molekyle. Det er en forbindelse, der bruges som byggesten til fremstilling af kemiske produkter. Som kontakt‑sensitizer er den i stand til at fremkalde både lokale og generelle reaktioner.

Når man sammenligner materialets struktur med en sandwich, bemærkede studiets medforfatter Matt McCluskey, der er professor i fysik ved WSU:

“Forestil dig lag af keramik og plast stablet oven på hinanden. Når du påfører tryk, kollapser de bløde dele mere end de stive.”

For at påføre trykket brugte de en diamant‑anvil‑celle (DAC), et høj‑tryk‑apparat, der anvendes i materialvidenskab og ingeniørexperimenter til at studere materialer under ekstreme forhold. DAC gør det muligt at presse en lille prøve til ekstreme tryk.

Så brugte holdet DAC til at påføre ekstremt tryk og observerede derefter ændringerne i materialet ved hjælp af røntgensystemet.

Røntgendiffraktions‑systemet (XRD) var faktisk det, der gjorde forskningen mulig, og det blev anskaffet for nogle år siden for over 1 million dollars med hjælp fra Murdock Charitable Trust.

XRD er en laboratorieteknik, der bruger røntgenstråler til at afsløre strukturel information såsom krystalstruktur og kemisk sammensætning af materialer. Denne kraftfulde metode gjorde det muligt for forskerne at observere små strukturelle ændringer i materialet, mens de skete.

Selvom denne type eksperimenter typisk foregår på nationale faciliteter som Advanced Light Source ved Berkeley National Laboratory i Californien, hvilket kræver meget tid, gjorde det specialiserede udstyr det muligt for forskerne at udføre det hele på WSU’s Pullman‑campus, og det er det, der gør det “så meget mere spændende”.

“At kunne udføre disse høj‑tryk‑eksperimenter på campus gav os fleksibiliteten til virkelig at dykke ned i, hvad der foregik. Vi opdagede, at materialet ikke blot blev komprimeret — det ændrede faktisk sin interne struktur i en stor grad.”

– McCluskey

Observationen viste, at materialet gennemgik to faseændringer ved lave tryk på 2,1 og 3,3 gigapascal (GPa). Ændringen i materialets struktur var dramatisk i begge tilfælde, med en sammentrækning på op til 8 %.

De i XRD observerede ændringer blev derefter bekræftet med Fourier‑transform‑infrarød (FTIR) spektroskopi, en teknik, der bruges til at opnå et infrarødt spektrum af emission eller absorption af et fast stof, væske eller gas. Den demonstrerede også ændringer i de vibrerende tilstande ved begge faseovergangstrykk.

Potentielle fremtidige anvendelser

En faseovergang i et materiale refererer til ændringer i dets struktur på atomart niveau som følge af ændringer i eksterne forhold som tryk eller temperatur. I denne undersøgelse forekom ændringerne mellem to faste tilstande, hvor atomerne omarrangerede sig til en tættere konfiguration.

Sådanne overgange kan betydeligt ændre visse egenskaber ved materialerne, såsom hvordan de udsender lys eller leder elektricitet.

Da forskellige strukturelle faser generelt har forskellige optiske og elektriske egenskaber, menes de at være nyttige til kodning af digital information, hvilket er grundlaget for faseændringshukommelsen.

Ifølge undersøgelsen forekom overgange for β‑ZnTe(en)₀.₅ ved tryk, der er betydeligt lavere end den laveste rapporterede faseændring for ren zinktellurid.

“De fleste materialer som dette kræver enorme mængder tryk for at ændre strukturen, men dette begyndte at transformere ved en tiendedel af det tryk, vi normalt ser i ren zinktellurid. Det er det, der gør dette materiale så interessant — det viser store effekter ved meget lavere tryk.”

Men det er ikke alt. Undersøgelsesresultaterne antyder en høj anisotropisk trykrespons i materialet, hvilket betyder, at egenskaben varierer i størrelse i forskellige retninger, hvor det organiske lag er meget reaktivt over for trykændringer.

Kombinationen af den retningsfølsomhed, hvor den retning, materialet komprimeres i, ændrer dets adfærd, med den lagdelte struktur gør materialet endnu mere justerbart og åbner døren for yderligere anvendelser som fotonik, hvor lys bruges til at flytte og lagre information.

Materialet udsender faktisk ultraviolet lys, og forskerne mener, at dets glød også kan skifte afhængigt af dets fase. Denne egenskab kan gøre β‑ZnTe(en)₀.₅ nyttigt i fiberoptik eller optisk computing.

Selvom materialet viser enormt potentiale som kommercielt hukommelsesmateriale, er β‑ZnTe(en)₀.₅ stadig i en meget tidlig udviklingsfase, som Miller udtaler:

“Vi er kun i begyndelsen af at forstå, hvad disse hybridmaterialer kan gøre.”

Holdets næste skridt i undersøgelsen er at undersøge, hvordan materialet reagerer på temperaturændringer, og derefter undersøge, hvad der sker, når både varme og tryk påføres materialet. På denne måde vil forskerne opbygge et mere komplet kort over materialets β‑ZnTe(en)₀‑adfærd og muligheder.

Investering i halvledere

I halvlederverdenen er den $2,8‑billioner store markedsværdi NVIDIA Corporation (NVDA ) den største aktør, som dominerer AI‑ og GPU‑teknologier. Andre fremtrædende spillere på området inkluderer den $90‑milliarders ældre chipproducent Intel Corporation (INTC ), som udvider sig inden for AI og avanceret hukommelse, samt $160‑milliarder Advanced Micro Devices (AMD ), som udforsker nye halvlederteknologier.

Men i dag vil vi se nærmere på Micron (MU ), som specialiserer sig i hukommelse og lagring, herunder faseændringshukommelse (PCM). Da hukommelse og lagring bliver flaskehalse i moderne computing, skiller Micron sig ud som en af de få virksomheder, der tager denne udfordring direkte op. Og efterhånden som efterspørgslen stiger fra AI, cloud‑infrastruktur og edge‑enheder, gør Microns lederskab inden for både DRAM og NAND, sammen med deres arbejde på næste‑generations‑teknologi som faseændringshukommelse, dem til en kritisk aktør at holde øje med i halvlederbranchen.

Micron Technology (MU )

Hukommelses‑ og lagringsløsningstilbyderen leverer en portefølje af højtydende DRAM-, NAND‑ og NOR‑produkter.

Den opererer via Compute and Networking Business Unit (CNBU), som leverer løsninger til datacenter‑, grafik‑, PC‑ og netværksmarkederne, Mobile Business Unit (MBU), som betjener smartphone‑ og andre mobilmarkedet, Embedded Business Unit (EBU), som betjener de industrielle, automotive‑ og forbruger‑embedded‑markeder, samt Storage Business Unit (SBU), som omfatter SSD‑er og komponent‑niveau lagringsløsninger.

Virksomheden er den første, der leverer HBM3E‑ og SOCAMM‑hukommelsesløsninger globalt til AI‑servere i samarbejde med NVIDIA.

Micron har en markedsværdi på $90,2 milliarder med aktier, der handles til $79,55, kun faldet omkring 4 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er 4,14, P/E‑tallet (TTM) er 19,51, og udbytteafkastet er kun 0,57 %.

I marts annoncerede virksomheden de finansielle resultater for Q2 i regnskabsåret 2025, som sluttede den 27. februar 2025, og afslørede en omsætning på $8,05 milliarder, ned fra $8,71 milliarder i foregående kvartal men op fra $5,82 milliarder i samme periode sidste år.

GAAP‑nettoindkomst var $1,58 milliarder, eller $1,41 per udvandet aktie, mens Non‑GAAP‑nettoindkomst var $1,78 milliarder, eller $1,56 per udvandet aktie. Driftskontantstrømmen for perioden udgjorde $3,94 milliarder.

“Micron leverede Q2‑EPS over forventning, og datacenter‑omsætningen tredoblede fra et år siden,” sagde CEO Sanjay Mehrotra, som bemærkede lanceringen af 1‑gamma DRAM‑noden, der udvider virksomhedens teknologiske lederskab. I Q3 forventer Micron at nå “rekord‑kvartalsomsætning… med DRAM‑ og NAND‑efterspørgselsvækst i både datacenter‑ og forbruger‑orienterede markeder.”

Seneste om Micron Technology

Konklusion

Som rygraden i moderne elektronik er halvledere afgørende for teknologiske fremskridt. Det er gennem innovation inden for halvlederteknologi, at der er opstået nye og bedre produkter samt gennembrud i alt fra smartphones til AI‑systemer.

I denne kontekst markerer den nye forskning et stort skift ved at gå ud over traditionelle silicium‑baserede arkitekturer til lagdelte organisk‑ukristallinske hybrider. Opdagelsen af materialets unikke evne til at gennemgå faseovergange ved lave tryk med strukturel justerbarhed introducerer en ny grænse for materialer inden for optoelektronik og gør β‑ZnTe(en)₀.₅ til en lovende kandidat til energieffektive, højtydende hukommelsesteknologier.

Yderligere udforskning under varierende termiske forhold kan endda åbne helt nye anvendelser for materialet inden for optisk computing, fiberoptik og lav‑energi datalagring, hvilket markerer et spændende kapitel i den fortsatte halvlederrevolution.

Klik her for en liste over de bedste halvleder‑udstyrsaktier.

Studier refereret:

1. Miller, J. C., Wang, Y., Zhang, Y., Schmedake, T. A., & McCluskey, M. D. (2025). Faseovergange i β‑ZnTe(en)₀.₅ under hydrostatisk tryk. AIP Advances, 15(4), 045308. https://doi.org/10.1063/5.0266352