I semiconduttori stratificati potrebbero essere il prossimo salto nella memorizzazione

I semiconduttori sono i mattoni fondamentali di quasi tutta l’elettronica moderna, alimentando tutto, dagli smartphone e computer ai veicoli elettrici, sistemi AI e attrezzature industriali. 

Sono la tecnologia centrale dietro i circuiti integrati (IC), noti anche come chip, che consentono la creazione di dispositivi più veloci, più piccoli e più efficienti. 

Per quanto riguarda cosa siano i semiconduttori, sono materiali con conduttività elettrica intermedia tra conduttori e isolanti. Silicio (Si), germanio (Ge) e arsenico di gallio (GaAs) sono alcuni esempi.

Permettono il passaggio di correnti elettriche a seconda di fattori come la temperatura ambientale o il campo magnetico a cui sono sottoposti. La conduttività dei semiconduttori può essere regolata mediante un processo chiamato drogaggio, in cui vengono aggiunte impurità. 

Oltre a costituire la base dei circuiti integrati, le applicazioni dei semiconduttori includono i transistor, usati per il commutazione e l’amplificazione nei circuiti elettronici. I semiconduttori sono anche impiegati nei pannelli solari per convertire la luce solare in elettricità, nonché nei diodi che consentono il flusso di corrente in una sola direzione. 

Il passaggio verso architetture di semiconduttori stratificati

Man mano che i semiconduttori continuano a evolversi, i semiconduttori ibridi organico-inorganici stanno suscitando grande interesse grazie alla loro elevata efficienza nelle celle solari e alle applicazioni per diodi a emissione luminosa (LED). Combinano la flessibilità e il costo contenuto dei materiali organici con le proprietà elettroniche dei materiali inorganici in un unico materiale. 

Questi semiconduttori stratificati, con una struttura di strati distinti di componenti organiche e inorganiche che possono essere disposti per ottenere proprietà e funzionalità uniche, rappresentano materiali di nuova generazione per l’uso in dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni.

Nel campo dei semiconduttori stratificati, qualche anno fa, ricercatori dell’Australian National University hanno dimostrato un nuovo processo di fabbricazione in stile ‘sandwich’ per ottenere elettronica a energia ultra-bassa basata su particelle ibride luce-materia, gli eccitone-polaritoni.

Qui, un semiconduttore di uno spessore atomico è stato collocato tra due specchi che hanno mostrato una propagazione robusta, senza dissipazione e a lungo raggio di un eccitone (un elettrone legato a una lacuna) mescolato con la luce che rimbalza tra specchi paralleli.

Il processo di fabbricazione in stile ‘sandwich’ per microcavità ottiche di alta qualità ha minimizzato i danni al semiconduttore atomico sottile, massimizzando al contempo l’interazione tra gli eccitoni e i fotoni.

Il materiale atomico sottile non era la cosa importante qui; piuttosto, la chiave era la costruzione della microcavità. È stata costruita impilando i componenti uno alla volta, iniziando dallo specchio inferiore, poi uno strato di semiconduttore e infine uno specchio superiore. Tuttavia, la struttura superiore è stata fabbricata separatamente per evitare di danneggiare il semiconduttore atomico sottile e mantenere le proprietà dei suoi eccitoni.

Mentre questo studio si è concentrato sulle interazioni luce-materia nei semiconduttori ultra-sottili, altri gruppi di ricerca stanno spingendo i materiali ibridi verso l’archiviazione della memoria.

Il semiconduttore ibrido ZnTe rivela capacità di memoria avanzate

Tra i semiconduttori stratificati, β‑ZnTe(en)₀.₅, in particolare, ha attirato particolare attenzione per il suo ordine strutturale superiore e una stabilità più lunga rispetto alla maggior parte.

Qui, l’incorporazione dello strato di materiale organico consente proprietà ottiche regolabili, modifiche alla struttura della banda e un aumento dell’energia di legame degli eccitoni. 

Quindi, ricercatori della Washington State University insieme a quelli della University of North Carolina at Charlotte hanno ideato un materiale stratificato¹ che può cambiare drasticamente forma sotto pressione, dimostrando la sua capacità di aiutare i computer a memorizzare più dati consumando meno energia.

Il materiale è basato su tellururo di zinco ibrido (ZnTe) che lo studio ha mostrato subire straordinarie modifiche strutturali quando viene compresso.

Il tellururo di zinco è un materiale semiconduttore con un gap diretto di circa 2,26 eV. Il suo gap diretto consente un’emissione e assorbimento della luce efficienti, rendendo ZnTe adatto per applicazioni optoelettroniche, inclusi celle solari, fotodetectori e LED, nonché per batterie al litio, diodi laser, generatori a microonde e dispositivi elettronici ad alta velocità.

Le modifiche strutturali che il materiale a base di ZnTe ibrido ha subito nello studio più recente, finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, lo rendono un candidato promettente per la memoria a cambiamento di fase (PCM).

La PCM è un tipo di memoria ad accesso casuale non volatile (RAM) che funziona in modo diverso rispetto alla memoria presente nei nostri dispositivi. È una memorizzazione di dati ultra-rapida e a lunga durata che non necessita di una fonte di alimentazione costante.

Questo tipo di memoria sfrutta i cambiamenti di fase di un materiale, tra stati amorfi e cristallini. Tale cambiamento di fase influisce sulla resistenza elettrica del materiale, consentendo la memorizzazione e il recupero dei dati.

Secondo lo studio, proprio come l’In2Se3 (selenide di indio(III)), che subisce cambiamenti di fase a pressioni moderate, anche le molteplici fasi di ZnTe(en)₀.₅ possono essere utilizzate nei dispositivi di memoria.

In2Se3 e selenide di indio (InSe) sono materiali semiconduttori stratificati che mostrano una varietà di strutture cristalline e fasi.

Uno studio interessante della fine dell’anno scorso ha effettivamente scoperto un metodo energeticamente efficiente per convertire i cristalli in vetro, presentando una soluzione altamente efficiente per dispositivi che utilizzano la PCM.

Attualmente la PCM dipende da un processo ad alta intensità energetica, che prevede il riscaldamento dei cristalli sopra gli 800 °C con laser o impulsi elettrici, seguito da un raffreddamento rapido. Lo studio, condotto da ricercatori dell’IISc, UPenn e MIT, ha rivelato che il selenide di indio consente la transizione da solido a vetro tramite “auto-sciocc” interni, eliminando la necessità di alte temperature.

Ciò che accade è che, quando una corrente elettrica viene applicata alla struttura sottile e stratificata del selenide di indio, gli strati scivolano in direzioni diverse, creando aree in cui gli atomi si allineano in schemi specifici separati da confini, che agiscono come placche tettoniche; quando queste collidono, producono piccoli sciocc meccanici ed elettrici.

Ciascuno di questi sciocc disturba la struttura cristallina, creando a sua volta piccole zone che si trasformano in vetro, le quali alla fine si diffondono in tutto il materiale.

“La ricerca sulla PCM era rallentata a causa della difficoltà di trovare materiali adatti. Ma ora, la struttura 2D e le proprietà uniche del selenide di indio si sono unite per creare questa via ultra a bassa energia per l’amorfizzazione tramite sciocc,” ha detto il coautore Pavan Nukala, aggiungendo che “stiamo spingendo per integrare questi dispositivi su piattaforme CMOS.”

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Drammatiche trasformazioni strutturali indotte dalla pressione

Nello studio più recente, il materiale fabbricato è chiamato β‑ZnTe(en)₀.₅ ed è composto da strati alternati di tellururo di zinco.

Oltre ai strati alternati di ZnTe di due monostrati di spessore, il team ha utilizzato l’etilendiammina (en=C2N2H8) come molecola organica. È un composto usato come blocco di costruzione per la produzione di prodotti chimici. Come sensibilizzatore di contatto, è capace di produrre sia reazioni locali che generalizzate.

Confrontando la struttura del materiale a quella di un sandwich, il coautore dello studio Matt McCluskey, professore di fisica alla WSU, ha osservato:

“Immagina strati di ceramica e plastica impilati più e più volte. Quando applichi pressione, le parti morbide collassano più delle parti rigide.”

Per applicare la pressione, hanno utilizzato una cella a incudine di diamante (DAC), un dispositivo ad alta pressione usato in esperimenti di scienza dei materiali e ingegneria per studiare i materiali in condizioni estreme. La DAC consente di comprimere un piccolo campione a pressioni estreme.

Quindi, il team ha usato la DAC per applicare una pressione estrema e poi ha osservato i cambiamenti nel materiale usando il sistema a raggi X. 

Il sistema di diffrazione a raggi X (XRD) è stato in realtà ciò che ha reso possibile la ricerca, acquisito qualche anno fa per oltre 1 milione di dollari con l’aiuto del Murdock Charitable Trust.

XRD è una tecnica di laboratorio che utilizza i raggi X per rivelare informazioni strutturali come la struttura cristallina e la composizione chimica dei materiali. Questo potente metodo ha permesso ai ricercatori di osservare piccoli cambiamenti strutturali nel materiale man mano che avvenivano.

Mentre questo tipo di esperimenti tende a svolgersi in strutture nazionali come l’Advanced Light Source presso il Lawrence Berkeley National Laboratory in California, richiedendo molto tempo, grazie all’attrezzatura specializzata i ricercatori sono riusciti a farlo tutto, proprio nel campus di Pullman della WSU, e questo lo rende “ancora più entusiasmante”.

“Essere in grado di fare questi esperimenti ad alta pressione sul campus ci ha dato la flessibilità di approfondire davvero ciò che stava accadendo. Abbiamo scoperto che il materiale non si è limitato a comprimersi — ha effettivamente cambiato la sua struttura interna in modo significativo.”

– McCluskey

L’osservazione ha rivelato che il materiale ha attraversato due cambiamenti di fase a basse pressioni di 2,1 e 3,3 gigapascal (GPa). Il cambiamento nella struttura del materiale è stato drammatico in entrambi i casi, con una riduzione fino all’8 %.

I cambiamenti osservati con XRD sono stati poi verificati con la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), una tecnica usata per ottenere uno spettro infrarosso di emissione o assorbimento di un solido, liquido o gas. Ha inoltre dimostrato cambiamenti nei modi vibrazionali a entrambe le pressioni di transizione di fase.

Potenziali applicazioni future

Una transizione di fase di un materiale si riferisce a cambiamenti nella sua struttura a livello atomico a seguito di variazioni delle condizioni esterne, come pressione o temperatura. In questo studio, i cambiamenti si sono verificati tra due stati solidi, dove gli atomi si sono riorganizzati in una configurazione più densa. 

Tali transizioni possono modificare significativamente alcune proprietà dei materiali, come il modo in cui emettono luce o conducono elettricità. 

Poiché le diverse fasi strutturali hanno generalmente caratteristiche ottiche ed elettriche differenti, si ritiene che siano utili per codificare informazioni digitali, che è la base della memoria a cambiamento di fase.

Le transizioni per β‑ZnTe(en)₀.₅, secondo lo studio, si sono verificate a pressioni notevolmente più basse rispetto alla più bassa transizione di fase riportata per il puro tellururo di zinco.

According to Miller:

“La maggior parte dei materiali di questo tipo richiede enormi quantità di pressione per cambiare struttura, ma questo ha iniziato a trasformarsi a un decimo della pressione che solitamente vediamo nel puro tellururo di zinco. È questo che rende il materiale così interessante — mostra grandi effetti a pressioni molto più basse.”

Ma non è tutto. I risultati dello studio suggeriscono una risposta di pressione altamente anisotropica del materiale, il che significa che la proprietà varia in intensità in diverse direzioni, con lo strato organico altamente reattivo ai cambiamenti di pressione.

Combinare la sensibilità direzionale, ovvero la direzione in cui il materiale è compresso che ne modifica il comportamento, con la struttura stratificata rende il materiale ancora più modulabile, aprendo la porta a ulteriori casi come la fotonica, dove la luce è usata per trasportare e memorizzare informazioni.

Il materiale emette effettivamente luce ultravioletta, e i ricercatori pensano che il suo bagliore possa anche variare a seconda della fase. Questa capacità può rendere β‑ZnTe(en)₀.₅ utile in fibra ottica o calcolo ottico.

Pur mostrando un enorme potenziale come materiale di memoria commerciale, β‑ZnTe(en)₀.₅ è ancora nelle prime fasi del suo sviluppo, come afferma Miller:

“Stiamo appena iniziando a capire cosa possono fare questi materiali ibridi.”

Il prossimo passo del team nello studio è capire come il materiale risponde ai cambiamenti di temperatura e poi indagare cosa accade quando sia calore che pressione vengono applicati al materiale. In questo modo, i ricercatori costruiranno una mappa più completa dei comportamenti e delle possibilità del β‑ZnTe(en)₀.

Investire nei semiconduttori

Nel mondo dei semiconduttori, la capitalizzazione di mercato da 2,8 trilioni di dollari della NVIDIA Corporation (NVDA ) è il nome più grande, che domina le tecnologie AI e GPU. Altri attori di rilievo nel settore includono il produttore di chip legacy da 90 miliardi di dollari Intel Corporation (INTC ), che si sta espandendo verso AI e memoria avanzata, e i 160 miliardi di dollari Advanced Micro Devices (AMD ), che esplorano tecnologie semiconduttori emergenti.

Ma oggi, esamineremo più a fondo Micron (MU ), che si specializza in memoria e archiviazione, inclusa la memoria a cambiamento di fase (PCM). Con la memoria e l’archiviazione che diventano i colli di bottiglia nel calcolo moderno, Micron si distingue come una delle poche aziende che affrontano questa sfida direttamente. E con la domanda in crescita da AI, infrastrutture cloud e dispositivi edge, la leadership di Micron sia nella DRAM che nella NAND, insieme al suo lavoro su tecnologie di prossima generazione come la memoria a cambiamento di fase, la rende un attore critico da osservare nel settore dei semiconduttori.

Micron Technology (MU )

Il fornitore di soluzioni di memoria e archiviazione offre un portafoglio di prodotti DRAM, NAND e NOR ad alte prestazioni. 

Opera tramite la Compute and Networking Business Unit (CNBU), che fornisce soluzioni per i mercati dei data center, grafica, PC e networking; la Mobile Business Unit (MBU), che si rivolge ai mercati degli smartphone e altri dispositivi mobili; la Embedded Business Unit (EBU), che serve i mercati industriali, automobilistici e consumer embedded; e la Storage Business Unit (SBU), che include SSD e soluzioni di archiviazione a livello di componenti.

L’azienda è la prima a spedire soluzioni di memoria HBM3E e SOCAMM a livello globale per server AI in collaborazione con NVIDIA. 

Micron ha una capitalizzazione di mercato di 90,2 miliardi di dollari con le sue azioni che scambiano a 79,55 $, in calo di circa il 4 % YTD. Il suo EPS (TTM) è 4,14, il P/E (TTM) è 19,51 e il rendimento del dividendo offerto è appena lo 0,57 %.

A marzo, l’azienda ha annunciato i risultati finanziari per il Q2 dell’anno fiscale 2025, terminato il 27 febbraio 2025, rivelando un fatturato di 8,05 miliardi di dollari, in calo rispetto agli 8,71 miliardi del trimestre precedente ma in aumento rispetto ai 5,82 miliardi dello stesso periodo dell’anno scorso.

L’utile netto GAAP è stato di 1,58 miliardi di dollari, o 1,41 $ per azione diluita, mentre l’utile netto Non-GAAP è stato di 1,78 miliardi di dollari, o 1,56 $ per azione diluita. Il flusso di cassa operativo per il periodo è stato di 3,94 miliardi di dollari.

“Micron ha consegnato un EPS del Q2 fiscale al di sopra delle previsioni e i ricavi dei data center sono triplicati rispetto a un anno fa,” ha detto il CEO Sanjay Mehrotra, che ha osservato il lancio del nodo DRAM 1-gamma che estende la leadership tecnologica dell’azienda. Nel Q3, Micron prevede di raggiungere “ricavi trimestrali record… con la crescita della domanda di DRAM e NAND sia nei data center sia nei mercati orientati al consumatore.”

Ultime notizie su Micron Technology

Conclusione

Come spina dorsale dell’elettronica moderna, i semiconduttori sono fondamentali per i progressi tecnologici. È grazie all’innovazione nella tecnologia dei semiconduttori che sono nati prodotti nuovi e migliori, nonché scoperte in tutto, dagli smartphone ai sistemi AI.

In questo contesto, la nuova ricerca segna un cambiamento importante, estendendo le architetture tradizionali basate sul silicio a ibridi organico-inorganici stratificati. La scoperta della capacità unica del materiale di subire transizioni di fase a basse pressioni con una sintonizzabilità strutturale introduce una nuova frontiera per i materiali nell’optoelettronica e rende β‑ZnTe(en)₀.₅ un candidato promettente per tecnologie di memoria ad alta efficienza energetica e alte prestazioni. 

Ulteriori esplorazioni sotto condizioni termiche variabili potrebbero persino aprire applicazioni completamente nuove per il materiale nel calcolo ottico, nella fibra ottica e nell’archiviazione a bassa potenza, segnando un capitolo entusiasmante nella continua rivoluzione dei semiconduttori.

Clicca qui per un elenco delle principali azioni di attrezzature per semiconduttori.

Studi citati:

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