Les semi-conducteurs en couches pourraient constituer la prochaine étape dans le stockage des mémoires

Les semi-conducteurs sont les éléments fondamentaux de la quasi-totalité de l'électronique moderne, alimentant tout, des smartphones aux ordinateurs en passant par les véhicules électriques, les systèmes d'intelligence artificielle et les équipements industriels. 

Ils constituent la technologie de base des circuits intégrés (CI), également appelés puces, et permettent la création d'appareils plus rapides, plus petits et plus efficaces. 

Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la conductivité électrique se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants. Le silicium (Si), le germanium (Ge) et l'arséniure de gallium (GaAs) en sont quelques exemples.

Ils laissent passer des courants électriques en fonction de facteurs tels que la température ambiante ou le champ magnétique auquel ils sont soumis. La conductivité des semi-conducteurs peut être ajustée par un processus appelé dopage, qui consiste à y ajouter des impuretés. 

En plus d'être à la base des circuits intégrés, les applications des semi-conducteurs comprennent les transistors, qui sont utilisés pour la commutation et l'amplification dans les circuits électroniques. Les semi-conducteurs sont également utilisés dans les panneaux solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité, ainsi que dans les diodes qui permettent au courant de circuler dans une seule direction. 

L'évolution vers des architectures de semi-conducteurs en couches

Alors que les semi-conducteurs continuent d'évoluer, les semi-conducteurs hybrides organiques-inorganiques suscitent un grand intérêt en raison de l'efficacité élevée de leurs cellules solaires et de leurs applications pour les diodes électroluminescentes (DEL). Ils combinent la flexibilité et la rentabilité des matériaux organiques avec les propriétés électroniques des matériaux inorganiques dans un seul matériau. 

Ces semi-conducteurs en couches, dont la structure est constituée de couches distinctes de composants organiques et inorganiques pouvant être agencés pour obtenir des propriétés et des fonctionnalités uniques, constituent les matériaux de la prochaine génération à utiliser dans les dispositifs optoélectroniques à haute performance.

Dans le domaine des semi-conducteurs en couches, il y a quelques années, les chercheurs de l'Australian National University ont démontré un nouveau processus de fabrication de type "sandwich" pour réaliser une électronique à très faible consommation d'énergie basée sur les particules hybrides lumière-matière que sont les excitons-polaritons.

Un semi-conducteur d'une épaisseur d'un atome a été placé entre deux miroirs et a montré une propagation robuste, sans dissipation et à longue distance d'un exciton (un électron lié à un trou) mélangé à de la lumière rebondissant entre des miroirs parallèles.

Le processus de fabrication "en sandwich" d'une microcavité optique de haute qualité a permis de minimiser les dommages causés au semi-conducteur atomiquement fin tout en maximisant l'interaction entre les excitons et les photons.

Mais ce n'est pas le matériau atomiquement fin qui est important, c'est la construction de la microcavité. Celle-ci a été construite en empilant les composants un par un, en commençant par le miroir du bas, puis une couche de semi-conducteur et enfin un miroir sur le dessus. La structure supérieure a toutefois été fabriquée séparément afin d'éviter d'endommager le semi-conducteur d'une épaisseur atomique et de préserver les propriétés des excitons.

Alors que cette étude s'est concentrée sur les interactions lumière-matière dans les semi-conducteurs ultraminces, d'autres équipes de recherche poussent les matériaux hybrides dans la direction du stockage de la mémoire.

Le semi-conducteur hybride ZnTe révèle des capacités de mémoire avancées

Parmi les semi-conducteurs en couches, le β-ZnTe(en)₀.₅, en particulier, a fait l'objet d'une attention particulière en raison de son ordre structurel supérieur et de sa stabilité plus longue que la plupart des autres semi-conducteurs.

L'incorporation de la couche de matériau organique permet d'ajuster les propriétés optiques, de modifier la structure des bandes et d'augmenter l'énergie de liaison des excitons. 

Des chercheurs de l'université de l'État de Washington et de l'université de Caroline du Nord à Charlotte ont donc a proposé un matériau en couches¹ qui peut changer radicalement de forme lorsqu'il est soumis à une pression, démontrant ainsi sa capacité à aider les ordinateurs à stocker plus de données en utilisant moins d'énergie.

Le matériau est basé sur le tellurure de zinc hybride (ZnTe) qui, selon l'étude, subit d'étonnants changements structurels lorsqu'il est écrasé l'un contre l'autre.

Le tellurure de zinc est un matériau semi-conducteur dont la bande interdite directe est d'environ 2,26 eV. Cette bande interdite directe permet une émission et une absorption efficaces de la lumière, ce qui rend le ZnTe adapté aux applications optoélectroniques, notamment les cellules solaires, les photodétecteurs et les DEL, ainsi que les batteries lithium-ion, les diodes laser, les générateurs de micro-ondes et les appareils électroniques à grande vitesse.

Les modifications structurelles subies par le matériau hybride à base de ZnTe lors de la dernière étude, financée par le ministère américain de l'énergie, en font un candidat prometteur pour la mémoire à changement de phase (PCM).

La PCM est un type de mémoire vive (RAM) non volatile qui fonctionne différemment de la mémoire que l'on trouve dans nos appareils. Il s'agit d'un stockage de données ultra-rapide et durable qui ne nécessite pas de source d'énergie constante.

Ce type de mémoire tire parti des changements de phase d'un matériau, entre les stades amorphe et cristallin. Ce changement de phase affecte la résistance électrique du matériau, ce qui permet de stocker et d'extraire les données. 

Selon l'étude, à l'instar de l'In2Se3 (séléniure d'indium(III)), qui subit des changements de phase à des pressions modérées, les phases multiples de ZnTe(en)₀.₅ peuvent également être utilisées dans les dispositifs de mémoire.

In2Se3 et le séléniure d'indium (InSe) sont des matériaux semi-conducteurs en couches qui présentent une grande variété de structures et de phases cristallines.

Une étude intéressante réalisée à la fin de l'année dernière a permis de découvrir une méthode économe en énergie pour convertir les cristaux en verre, ce qui constitue une solution très efficace pour les appareils utilisant la PCM. 

La PCM dépend actuellement d'un processus très énergivore, qui consiste à chauffer des cristaux à plus de 800 °C à l'aide de lasers ou d'impulsions électriques, puis à les refroidir rapidement. L'étude, menée par des chercheurs de l'IISc, de l'UPenn et du MIT, a révélé que le séléniure d'indium permet la transition de l'état solide à l'état vitreux grâce à des "auto-chocs" internes, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'avoir recours à des températures élevées. 

Lorsqu'un courant électrique est appliqué à la fine structure en couches du séléniure d'indium, les couches glissent dans différentes directions, créant des zones où les atomes s'alignent selon des schémas spécifiques, séparés par des frontières qui agissent comme des plaques tectoniques et qui, lorsqu'elles entrent en collision, produisent de petites secousses mécaniques et électriques.

Chacun de ces chocs perturbe la structure cristalline, créant à son tour de petites taches qui se transforment en verre et qui finissent par s'étendre à l'ensemble du matériau.

"La recherche sur la PCM s'est ralentie en raison de la difficulté à trouver des matériaux appropriés. Mais aujourd'hui, la structure 2D et les propriétés uniques du séléniure d'indium ont convergé pour créer cette voie d'amorphisation à très faible énergie via des chocs", a déclaré Pavan Nukala, coauteur de l'article, qui a ajouté qu'ils "s'efforcent d'intégrer ces dispositifs sur des plates-formes CMOS".

Cliquez ici pour savoir si les semi-conducteurs organiques combinent les avantages du graphène et du silicium.

Transformations structurelles spectaculaires induites par la pression

Dans la dernière étude, le matériau fabriqué est appelé β-ZnTe(en)₀.₅ et il est constitué de couches alternées de tellurure de zinc.

Outre des couches alternées de ZnTe à deux monocouches d'épaisseur, l'équipe a utilisé de l'éthylènediamine (en=C2N2H8) comme molécule organique. Il s'agit d'un composé utilisé comme élément de base pour la production de produits chimiques. En tant que sensibilisateur de contact, elle est capable de produire des réactions locales et généralisées.

En comparant la structure du matériau à celle d'un sandwich, Matt McCluskey, co-auteur de l'étude et professeur de physique à la WSU, a noté

"Imaginez des couches de céramique et de plastique empilées les unes sur les autres. Lorsque vous exercez une pression, les parties molles s'affaissent davantage que les parties rigides."

Pour appliquer la pression, ils ont utilisé une cellule à enclume de diamant (DAC), un dispositif à haute pression utilisé dans les expériences de science et d'ingénierie des matériaux pour étudier les matériaux dans des conditions extrêmes. La cellule DAC permet de presser un minuscule échantillon à des pressions extrêmes.

L'équipe a donc utilisé le DAC pour appliquer une pression extrême et a ensuite observé les changements dans le matériau à l'aide du système de radiographie. 

C'est le système de diffraction des rayons X (XRD) qui a rendu possible cette recherche. Il a été acquis il y a quelques années pour plus de $1 million d'euros avec l'aide du Murdock Charitable Trust.

La DRX est une technique de laboratoire qui utilise les rayons X pour révéler des informations structurelles telles que la structure cristalline et la composition chimique des matériaux. Cette méthode puissante a permis aux chercheurs d'observer de minuscules changements structurels dans le matériau au fur et à mesure qu'ils se produisaient.

Alors que ce type d'expériences est généralement réalisé dans des installations nationales telles que l'Advanced Light Source du Berkeley National Laboratory en Californie, ce qui nécessite beaucoup de temps, grâce à un équipement spécialisé, les chercheurs ont pu tout faire sur le campus Pullman de la WSU et c'est ce qui rend cette expérience "d'autant plus excitante".

"Le fait de pouvoir réaliser ces expériences à haute pression sur le campus nous a donné la possibilité d'approfondir ce qui se passait. Nous avons découvert que le matériau ne se contentait pas de se comprimer, mais qu'il modifiait considérablement sa structure interne."

- McCluskey

L'observation a révélé que le matériau subissait deux changements de phase à des pressions faibles de 2,1 et 3,3 gigapascals (GPa). Le changement de structure du matériau a été spectaculaire dans les deux cas, avec une contraction de 8%.

Les changements observés par XRD ont ensuite été vérifiés par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), une technique utilisée pour obtenir un spectre infrarouge d'émission ou d'absorption d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz. Elle a également mis en évidence des changements dans les modes vibrationnels aux deux pressions de transition de phase.

Applications potentielles futures

La transition de phase d'un matériau se réfère aux changements de sa structure au niveau atomique à la suite d'une modification des conditions externes telles que la pression ou la température. Dans cette étude, les changements se sont produits entre deux états solides, où les atomes se sont réarrangés dans une configuration plus dense. 

Ces transitions peuvent modifier de manière significative certaines propriétés des matériaux, telles que la façon dont ils émettent de la lumière ou conduisent l'électricité. 

Les différentes phases structurelles ayant généralement des caractéristiques optiques et électriques différentes, on pense qu'elles sont utiles pour coder des informations numériques, ce qui est à la base de la mémoire à changement de phase.

Les transitions pour β-ZnTe(en)₀.₅, selon l'étude, s'est produit à des pressions considérablement inférieures au changement de phase le plus faible rapporté pour le tellurure de zinc pur.

Selon M. Miller :

"La plupart des matériaux de ce type nécessitent d'énormes pressions pour modifier leur structure, mais celui-ci a commencé à se transformer à un dixième de la pression que l'on observe habituellement dans le tellurure de zinc pur. C'est ce qui rend ce matériau si intéressant : il produit des effets importants à des pressions beaucoup plus faibles.

Mais ce n'est pas tout. Les résultats de l'étude suggèrent une forte réponse anisotrope du matériau à la pression, ce qui signifie que la propriété varie en magnitude dans différentes directions, la couche organique étant très réactive aux changements de pression.

La combinaison de la sensibilité directionnelle, où la direction dans laquelle le matériau est pressé modifie son comportement, et de la structure en couches rend le matériau encore plus accordable, ouvrant la porte à d'autres cas tels que la photonique, où la lumière est utilisée pour déplacer et stocker des informations.

Le matériau émet effectivement de la lumière ultraviolette, et les chercheurs pensent que sa lueur peut également se déplacer en fonction de sa phase. Cette capacité peut rendre le β-ZnTe(en)₀.₅ utile pour les fibres optiques ou l'informatique optique.

Bien qu'il présente un énorme potentiel en tant que matériau de mémoire commercial, le β-ZnTe(en)₀.₅ n'en est qu'à ses débuts. comme Miller déclare :

"Nous commençons à peine à comprendre ce que ces matériaux hybrides peuvent faire".

La prochaine étape de l'étude consistera à découvrir comment le matériau réagit aux changements de température, puis à étudier ce qui se passe lorsqu'il est soumis à la fois à la chaleur et à la pression. Les chercheurs pourront ainsi dresser une carte plus complète des comportements et des possibilités du matériau β-ZnTe(en)₀.

Investir dans les semi-conducteurs

Dans le monde des semi-conducteurs, la capitalisation boursière de $2,8 trillions d'euros a été atteinte. NVIDIA Corporation (NVDA -3.96%) est le plus grand nom, qui domine les technologies d'IA et de GPU. Parmi les autres acteurs de premier plan dans ce domaine, on peut citer le fabricant de puces hérité de $90 milliards d'euros Intel Corporation (INTC -6.25%)qui se développe dans les domaines de l'IA et des mémoires avancées, et $160 milliards d'euros. Advanced Micro Devices (AMD -3.7%)qui explore les technologies émergentes dans le domaine des semi-conducteurs.

Mais aujourd'hui, nous allons nous pencher plus en détail sur les points suivants Micron (MU -7.1%)qui se spécialise dans la mémoire et le stockage, y compris la mémoire à changement de phase (PCM). Wa mémoire et le stockage étant devenus les goulots d'étranglement de l'informatique moderne, Micron se distingue comme l'une des rares entreprises à s'attaquer de front à ce défi. Et à mesure que la demande augmente du fait de l'IA, de l'infrastructure cloud et des appareils périphériques, le leadership de Micron dans les domaines de la DRAM et de la NAND, ainsi que son travail sur les technologies de nouvelle génération comme la mémoire à changement de phase, en font un acteur essentiel à surveiller dans l'espace des semi-conducteurs.

Micron Technology (MU -7.1%)

Le fournisseur de solutions de mémoire et de stockage propose un portefeuille de produits DRAM, NAND et NOR de haute performance. 

Elle opère par l'intermédiaire de la Compute and Networking Business Unit (CNBU), qui fournit des solutions pour les centres de données, les graphiques, les PC et les marchés des réseaux, de la Mobile Business Unit (MBU), qui s'adresse aux marchés des smartphones et autres appareils mobiles, de l'Embedded Business Unit (EBU), qui sert les marchés industriels, automobiles et des appareils embarqués grand public, et de la Storage Business Unit (SBU), qui comprend les SSD et les solutions de stockage au niveau des composants.

La société est la première à proposer des solutions de mémoire HBM3E et SOCAMM au niveau mondial pour les serveurs d'intelligence artificielle en collaboration avec NVIDIA. 

Micron a une capitalisation boursière de $90,2 milliards et ses actions se négocient à $79,55, en baisse d'environ 4% depuis le début de l'année. Son BPA (TTM) est de 4,14, le P/E (TTM) est de 19,51 et le rendement du dividende offert n'est que de 0,57%.

En mars, l'entreprise a annoncé les résultats financiers du deuxième trimestre de l'exercice 2025, qui s'est achevé le 31 décembre. 27 févrierLe chiffre d'affaires de l'entreprise s'élève à 8,05 milliards de dollars, en baisse par rapport aux 8,71 milliards de dollars du trimestre précédent, mais en hausse par rapport aux 5,82 milliards de dollars de la même période de l'année précédente.

Le résultat net GAAP s'élève à 1,58 milliard de tonnes, soit 1,41 milliard de tonnes par action diluée. alors que Le résultat net non GAAP s'est élevé à 1,78 milliard de tonnes, soit 1,56 milliard de tonnes par action diluée. Le flux de trésorerie d'exploitation pour la période s'est élevé à 3,94 milliards de tonnes.

"Micron a réalisé un bénéfice par action pour le deuxième trimestre fiscal supérieur aux prévisions. et Le chiffre d'affaires des centres de données a triplé par rapport à l'année précédente", a déclaré le PDG Sanjay Mehrotra qui a noté le lancement d'un nœud DRAM 1-gamma qui renforce la position de leader technologique de l'entreprise. Au troisième trimestre, Micron prévoit d'atteindre "un chiffre d'affaires trimestriel record... grâce à la croissance de la demande de DRAM et de NAND dans les centres de données et sur les marchés grand public".

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Conclusion

En tant qu'épine dorsale de l'électronique moderne, les semi-conducteurs sont essentiels aux avancées technologiques. C'est grâce à l'innovation dans la technologie des semi-conducteurs que des produits nouveaux et de meilleure qualité ont vu le jour et que des percées ont été réalisées dans tous les domaines, des smartphones aux systèmes d'intelligence artificielle.

Dans ce contexte, la nouvelle recherche marque un changement majeur en dépassant les architectures traditionnelles à base de silicium pour s'étendre aux hybrides organiques-inorganiques en couches. La découverte de la capacité unique du matériau à subir des transitions de phase à basse pression avec une tunabilité structurelle introduit une nouvelle frontière pour les matériaux en optoélectronique et fait du β-ZnTe(en)₀.₅ un candidat prometteur pour les technologies de mémoire à haute performance et à faible consommation d'énergie. 

Une exploration plus poussée dans des conditions thermiques variables pourrait même ouvrir de toutes nouvelles applications pour le matériau dans l'informatique optique, la fibre optique et le stockage de données à faible puissance, marquant ainsi un chapitre passionnant dans la révolution en cours des semi-conducteurs.

Cliquez ici pour obtenir une liste des principaux titres de l'industrie des semi-conducteurs.

Études référencées :

1. Miller, J. C., Wang, Y., Zhang, Y., Schmedake, T. A. et 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