Schicht‑Halbleiter könnten der nächste Sprung in der Speichertechnologie sein

Halbleiter sind die grundlegenden Bausteine fast aller modernen Elektronik und versorgen alles von Smartphones und Computern bis hin zu Elektrofahrzeugen, KI‑Systemen und Industrieanlagen mit Energie. 

Sie sind die Kerntechnologie hinter integrierten Schaltkreisen (IC), auch als Chips bekannt, und ermöglichen die Herstellung schnellerer, kleinerer und effizienterer Geräte. 

Was Halbleiter ausmacht, sind Materialien mit einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Isolatoren. Silizium (Si), Germanium (Ge) und Galliumarsenid (GaAs) sind einige Beispiele.

Sie ermöglichen den Durchfluss elektrischer Ströme, abhängig von Faktoren wie der Umgebungstemperatur oder dem Magnetfeld, dem sie ausgesetzt sind. Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch einen Prozess namens Dotierung angepasst werden, bei dem Verunreinigungen hinzugefügt werden. 

Neben ihrer Basisfunktion für ICs umfassen die Anwendungen von Halbleitern Transistoren, die zum Schalten und Verstärken in elektronischen Schaltungen verwendet werden. Halbleiter werden auch in Solarmodulen eingesetzt, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln, sowie in Dioden, die den Stromfluss in eine Richtung ermöglichen. 

Der Wandel hin zu geschichteten Halbleiterarchitekturen

Während sich Halbleiter weiterentwickeln, gewinnen organisch‑anorganische Hybrid‑Halbleiter aufgrund ihrer hohen Solarzellen‑Effizienz und ihrer Anwendungen für Leuchtdioden (LEDs) starkes Interesse. Sie verbinden die Flexibilität und Kosteneffizienz organischer Materialien mit den elektronischen Eigenschaften anorganischer Materialien in einem einzigen Werkstoff. 

Diese geschichteten Halbleiter besitzen eine Struktur aus klar getrennten Schichten organischer und anorganischer Komponenten, die für einzigartige Eigenschaften und Funktionen angeordnet werden können, und stellen Materialien der nächsten Generation für den Einsatz in Hochleistungs‑Optoelektronikgeräten dar.

Im Bereich der geschichteten Halbleiter zeigten Forscher der Australian National University vor einigen Jahren ein neuartiges „Sandwich‑Verfahren“ zur Herstellung von extrem energiearmen Elektronikbauelementen, die auf den licht‑Materie‑Hybrid‑Teilchen Exziton‑Polaritonen basieren.

Hier wurde ein ein‑Atom‑dünner Halbleiter zwischen zwei Spiegeln platziert, die eine robuste, verlustfreie, langreichweitige Ausbreitung eines Exzitons (ein an ein Loch gebundenes Elektron) in Kombination mit Licht, das zwischen parallelen Spiegeln hin‑ und herreflektiert, zeigten.

Das „Sandwich‑Verfahren“ zur Herstellung einer hochwertigen optischen Mikroresonanzkammer minimierte Schäden am atomar dünnen Halbleiter und maximierte gleichzeitig die Wechselwirkung zwischen den Exzitonen und den Photonen.

Das atomar dünne Material war hier jedoch nicht das Wesentliche; entscheidend war der Aufbau der Mikroresonanzkammer. Diese wurde durch das stapelweise Aufsetzen der Komponenten gebaut – zuerst der untere Spiegel, dann eine Halbleiterschicht und schließlich ein oberer Spiegel. Die obere Struktur wurde jedoch separat gefertigt, um den atomar dünnen Halbleiter nicht zu beschädigen und die Eigenschaften seiner Exzitonen zu erhalten.

Während sich diese Studie auf Licht‑Materie‑Wechselwirkungen in ultradünnen Halbleitern konzentrierte, treiben andere Forschungsteams Hybridmaterialien in Richtung Datenspeicherung voran.

Hybrid‑ZnTe‑Halbleiter zeigt fortschrittliche Speicherfähigkeiten

Unter den geschichteten Halbleitern erhält β‑ZnTe(en)₀.₅ besonders viel Aufmerksamkeit wegen seiner überlegenen strukturellen Ordnung sowie seiner längeren Stabilität im Vergleich zu den meisten anderen.

Durch die Integration der organischen Materials­schicht lassen sich optische Eigenschaften anpassen, die Bandstruktur modifizieren und die Bindungsenergie von Exzitonen erhöhen. 

Forscher der Washington State University zusammen mit denen der University of North Carolina at Charlotte entwickelten ein geschichtetes Material¹, das seine Form unter Druck dramatisch verändern kann und damit seine Fähigkeit demonstriert, Computern zu ermöglichen, mehr Daten mit weniger Energie zu speichern.

Das Material basiert auf hybridem Zinktellurid (ZnTe), das laut Studie erstaunliche strukturelle Veränderungen durchläuft, wenn es zusammengedrückt wird.

Zinktellurid ist ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke von etwa 2,26 eV. Diese direkte Bandlücke ermöglicht effiziente Lichtemission und -absorption, wodurch ZnTe für optoelektronische Anwendungen wie Solarzellen, Fotodetektoren und LEDs sowie für Lithium‑Ion‑Batterien, Laserdioden, Mikrowellengeneratoren und Hochgeschwindigkeits‑Elektronikgeräte geeignet ist.

Die strukturellen Veränderungen, die das auf hybridem ZnTe basierende Material in der neuesten, vom US‑Energieministerium finanzierten Studie durchlief, machen es zu einem vielversprechenden Kandidaten für Phase‑Change‑Memory (PCM).

PCM ist eine Art nichtflüchtiger Direktzugriffsspeicher (RAM), der anders funktioniert als der in unseren Geräten vorhandene Speicher. Es ist ein ultraschneller und langlebiger Datenspeicher, der keine konstante Stromversorgung benötigt.

Dieser Speichertyp nutzt die Phasenwechsel eines Materials zwischen amorphen und kristallinen Zuständen. Dieser Phasenwechsel beeinflusst den elektrischen Widerstand des Materials, wodurch Daten gespeichert und abgerufen werden können. 

Laut Studie können, ähnlich wie In₂Se₃ (Indium(III)-Selenid), das bei moderaten Drücken Phasenwechsel erfährt, mehrere Phasen von ZnTe(en)₀.₅ ebenfalls in Speichergeräten genutzt werden.

In₂Se₃ und Indium‑Selenid (InSe) sind geschichtete Halbleitermaterialien, die eine Vielzahl von Kristallstrukturen und Phasen aufweisen.

Eine interessante Studie vom Ende letzten Jahres entdeckte tatsächlich ein energieeffizientes Verfahren zur Umwandlung von Kristallen in Glas, das eine hocheffiziente Lösung für Geräte, die PCM nutzen, darstellt.

PCM beruht derzeit auf einem stark energieintensiven Prozess, bei dem Kristalle über 800 °C mit Lasern oder elektrischen Impulsen erhitzt und anschließend schnell abgekühlt werden. Die von Forschern des IISc, der UPenn und des MIT durchgeführte Studie zeigte, dass Indium‑Selenid den Übergang von Fest zu Glas durch interne „Selbstschocks“ ermöglicht, sodass hohe Temperaturen nicht nötig sind.

Was hier geschieht, ist, dass beim Anlegen eines elektrischen Stroms an die dünne, geschichtete Struktur von Indium‑Selenid die Schichten in verschiedene Richtungen gleiten, wodurch Bereiche entstehen, in denen Atome in spezifischen Mustern ausgerichtet sind, getrennt durch Grenzen, die wie tektonische Platten wirken; wenn sie zusammenstoßen, erzeugen sie kleine mechanische und elektrische Schocks.

Jeder dieser Schocks stört die Kristallstruktur und erzeugt kleine Bereiche, die sich in Glas umwandeln und schließlich das gesamte Material durchdringen.

“Die PCM‑Forschung hatte aufgrund der Schwierigkeit, geeignete Materialien zu finden, nachgelassen. Jetzt haben jedoch die 2‑D‑Struktur und die einzigartigen Eigenschaften von Indium‑Selenid einen ultra‑energiearmen Weg zur Amorphisierung durch Schocks geschaffen,” sagte Mitautor Pavan Nukala, der hinzufügte, sie “streben an, diese Geräte in CMOS‑Plattformen zu integrieren.”

Klicken Sie hier, um zu erfahren, ob organische Halbleiter die Vorteile von Graphen und Silizium kombinieren.

Dramatische druckinduzierte strukturelle Transformationen

In der neuesten Studie heißt das hergestellte Material β‑ZnTe(en)₀.₅ und besteht aus abwechselnden Schichten von Zinktellurid.

Zusätzlich zu den abwechselnden Schichten aus zweimonolayer‑dickem ZnTe verwendete das Team Ethylendiamin (en=C2N2H8) als organisches Molekül. Es ist eine Verbindung, die als Baustein für die Herstellung chemischer Produkte dient. Als Kontaktsensibilisator ist es in der Lage, sowohl lokale als auch generalisierte Reaktionen zu erzeugen.

Vergleicht man die Struktur des Materials mit der eines Sandwiches, bemerkte der Mitautor der Studie, Matt McCluskey, Professor für Physik an der WSU,

“Stellen Sie sich Schichten aus Keramik und Kunststoff vor, die immer wieder übereinander gestapelt sind. Wenn Sie Druck ausüben, kollabieren die weichen Teile stärker als die harten.”

Um den Druck auszuüben, nutzten sie eine Diamant‑Ambosszelle (DAC), ein Hochdruckgerät, das in Materialwissenschafts‑ und Ingenieurversuchen zum Studium von Materialien unter extremen Bedingungen eingesetzt wird. DAC ermöglicht es, eine winzige Probe zu extremen Drücken zu komprimieren.

Das Team setzte also DAC ein, um extremen Druck auszuüben, und beobachtete anschließend die Veränderungen im Material mithilfe des Röntgensystems.

Das Röntgen‑Diffraktions‑(XRD‑)System war tatsächlich das, was die Forschung ermöglichte; es wurde vor einigen Jahren mit über einer Million Dollar dank der Unterstützung des Murdock Charitable Trust angeschafft.

XRD ist eine Labortechnik, die Röntgenstrahlen nutzt, um strukturelle Informationen wie Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung von Materialien aufzudecken. Diese leistungsstarke Methode ermöglichte es den Forschern, winzige strukturelle Veränderungen im Material in Echtzeit zu beobachten.

Obwohl solche Experimente normalerweise in nationalen Einrichtungen wie dem Advanced Light Source am Berkeley National Laboratory in Kalifornien stattfinden und viel Zeit erfordern, konnten die Forscher dank der spezialisierten Ausrüstung alles direkt am Campus von WSU in Pullman durchführen, was es “umso spannender” macht.

“Die Möglichkeit, diese Hochdruck‑Experimente auf dem Campus durchzuführen, gab uns die Flexibilität, wirklich tief in die Vorgänge einzutauchen. Wir entdeckten, dass das Material nicht nur komprimierte – es veränderte seine innere Struktur erheblich.”

– McCluskey

Die Beobachtung zeigte, dass das Material bei niedrigen Drücken von 2,1 und 3,3 GPa zwei Phasenwechsel durchlief. Die Veränderung der Materialstruktur war in beiden Fällen dramatisch und führte zu einer Schrumpfung von bis zu 8 %.

Die in der XRD beobachteten Veränderungen wurden anschließend mit der Fourier‑Transform‑Infrarot‑Spektroskopie (FTIR) verifiziert, einer Technik zur Erfassung des Infrarotspektrums von Emission oder Absorption eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines Gases. Sie zeigte ebenfalls Änderungen der Schwingungsmodi bei beiden Phasenumwandlungsdrücken.

Potenzielle zukünftige Anwendungen

Ein Phasenübergang eines Materials bezieht sich auf strukturelle Veränderungen auf atomarer Ebene, die durch Änderungen äußerer Bedingungen wie Druck oder Temperatur verursacht werden. In dieser Studie traten die Veränderungen zwischen zwei Festkörperzuständen auf, wobei die Atome in eine dichtere Anordnung übergingen. 

Solche Übergänge können bestimmte Eigenschaften der Materialien erheblich verändern, etwa wie sie Licht emittieren oder Strom leiten. 

Da verschiedene strukturelle Phasen im Allgemeinen unterschiedliche optische und elektrische Eigenschaften besitzen, wird angenommen, dass sie zur Kodierung digitaler Informationen nützlich sind, was die Grundlage des Phase‑Change‑Speichers bildet.

Die Übergänge für β‑ZnTe(en)₀.₅ traten laut Studie bei Drücken deutlich niedriger auf als der bisher niedrigste gemeldete Phasenwechsel für reines Zinktellurid.

“Die meisten Materialien dieser Art benötigen enorme Drücke, um ihre Struktur zu ändern, aber dieses begann bereits bei einem Zehntel des Drucks, den wir normalerweise bei reinem Zinktellurid beobachten. Das macht dieses Material so interessant – es zeigt große Effekte bei deutlich niedrigeren Drücken.”

Doch das ist nicht alles. Die Studienergebnisse deuten auf eine stark anisotrope Druckreaktion des Materials hin, das heißt, die Eigenschaft variiert in ihrer Größe in verschiedene Richtungen, wobei die organische Schicht besonders empfindlich auf Druckänderungen reagiert.

Die Kombination der Richtungs­sensitivität, bei der die Richtung, in die das Material gedrückt wird, sein Verhalten ändert, mit der geschichteten Struktur macht das Material noch besser einstellbar und eröffnet weitere Anwendungsfelder wie die Photonik, bei der Licht zur Übertragung und Speicherung von Informationen verwendet wird.

Das Material emittiert tatsächlich ultraviolettes Licht, und Forscher vermuten, dass sein Leuchten je nach Phase ebenfalls variieren kann. Diese Fähigkeit könnte β‑ZnTe(en)₀.₅ für die Faseroptik oder das optische Rechnen nützlich machen.

Obwohl es ein enormes Potenzial als kommerzielles Speicher­material zeigt, befindet sich β‑ZnTe(en)₀.₅ noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium, wie Miller feststellt:

“Wir beginnen gerade erst zu verstehen, was diese Hybridmaterialien leisten können.”

Der nächste Schritt des Teams in der Studie besteht darin, zu untersuchen, wie das Material auf Temperaturänderungen reagiert, und anschließend zu erforschen, was geschieht, wenn sowohl Hitze als auch Druck auf das Material einwirken. Auf diese Weise werden die Forscher eine umfassendere Karte des Verhaltens und der Möglichkeiten von β‑ZnTe(en)₀.₅ erstellen.

Investieren in Halbleiter

In der Welt der Halbleiter ist die mit 2,8 Billionen $ bewertete NVIDIA Corporation (NVDA ) das größte Unternehmen, das KI‑ und GPU‑Technologien dominiert. Weitere bedeutende Akteure in diesem Bereich sind der 90 Mrd. $‑große Traditions‑Chiphersteller Intel Corporation (INTC ), der in KI und fortschrittlichen Speicher expandiert, sowie der 160 Mrd. $‑große Advanced Micro Devices (AMD ), der sich mit aufkommenden Halbleitertechnologien beschäftigt.

Aber heute werfen wir einen genaueren Blick auf Micron (MU ), das sich auf Speicher und Datenspeicherung, einschließlich Phase‑Change‑Memory (PCM), spezialisiert.

Micron Technology (MU )

Der Anbieter von Speicher‑ und Speicherlösungen bietet ein Portfolio an Hochleistungs‑DRAM, NAND‑ und NOR‑Produkten. 

Es operiert über die Compute and Networking Business Unit (CNBU), die Lösungen für Rechenzentren, Grafik, PCs und Netzwerke anbietet, die Mobile Business Unit (MBU), die den Smartphone‑ und anderen Mobilgerätemarkt bedient, die Embedded Business Unit (EBU), die die industriellen, automobilen und Verbraucher‑Embedded‑Märkte bedient, sowie die Storage Business Unit (SBU), die SSDs und komponentenbasierte Speicherlösungen umfasst.

Das Unternehmen ist das erste, das weltweit HBM3E‑ und SOCAMM‑Speicherlösungen für KI‑Server in Zusammenarbeit mit NVIDIA ausliefert. 

Micron hat eine Marktkapitalisierung von 90,2 Mrd. $, wobei die Aktien bei 79,55 $ gehandelt werden, was einem Rückgang von etwa 4 % im Jahresverlauf entspricht. Das EPS (TTM) beträgt 4,14, das KGV (TTM) liegt bei 19,51 und die Dividendenrendite beträgt lediglich 0,57 %.

Im März gab das Unternehmen die Finanzergebnisse für das zweite Quartal des Geschäftsjahres 2025 bekannt, das am 27. Februar 2025 endete, und offenbarte einen Umsatz von 8,05 Mrd. $, ein Rückgang gegenüber 8,71 Mrd. $ im Vorquartal, aber ein Anstieg gegenüber 5,82 Mrd. $ im gleichen Zeitraum des Vorjahres.

Der GAAP‑Nettogewinn betrug 1,58 Mrd. $, bzw. 1,41 $ pro verwässerter Aktie, während der Non‑GAAP‑Nettogewinn 1,78 Mrd. $ bzw. 1,56 $ pro verwässerter Aktie betrug. Der operative Cashflow für den Zeitraum lag bei 3,94 Mrd. $.

“Micron lieferte im fiskalischen Q2 ein EPS über den Erwartungen und der Umsatz im Rechenzentrum hat sich im Vergleich zum Vorjahr verdreifacht,” sagte CEO Sanjay Mehrotra, der die Einführung des 1‑Gamma‑DRAM‑Knotens hervorhob, der die Technologieführerschaft des Unternehmens erweitert. In Q3 erwartet Micron, ein “rekordverdächtiges Quartalsumsatz… mit wachsender Nachfrage nach DRAM und NAND sowohl im Rechenzentrum als auch in verbraucherorientierten Märkten” zu erzielen.

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Fazit

Als Rückgrat der modernen Elektronik sind Halbleiter entscheidend für technologische Fortschritte. Durch Innovationen in der Halbleitertechnologie wurden neue und bessere Produkte sowie Durchbrüche in Bereichen von Smartphones bis hin zu KI‑Systemen ermöglicht. 

Vor diesem Hintergrund markiert die neue Forschung einen bedeutenden Wandel, indem sie über traditionelle, siliziumbasierte Architekturen hinaus zu geschichteten organisch‑anorganischen Hybriden übergeht. Die Entdeckung der einzigartigen Fähigkeit des Materials, bei niedrigem Druck Phasenwechsel mit struktureller Einstellbarkeit zu durchlaufen, eröffnet eine neue Grenze für Materialien in der Optoelektronik und macht β‑ZnTe(en)₀.₅ zu einem vielversprechenden Kandidaten für energieeffiziente, hochleistungsfähige Speichertechnologien. 

Weitere Untersuchungen unter variierenden thermischen Bedingungen könnten sogar völlig neue Anwendungen für das Material in der optischen Datenverarbeitung, der Faseroptik und der energiesparenden Datenspeicherung eröffnen und damit ein spannendes Kapitel in der fortlaufenden Halbleiter‑Revolution markieren.

Klicken Sie hier für eine Liste der wichtigsten Halbleiterausrüstungs‑Aktien.

Studien Referenziert:

1. Miller, J. C., Wang, Y., Zhang, Y., Schmedake, T. A., & McCluskey, M. D. (2025). Phasenübergänge von β‑ZnTe(en)₀.₅ unter hydrostatischem Druck. AIP Advances, 15(4), 045308. https://doi.org/10.1063/5.0266352