Gelaagde halfgeleiders kunnen de volgende sprong in geheugencapaciteit zijn

Halfgeleiders zijn de fundamentele bouwstenen van bijna alle moderne elektronica en leveren stroom aan alles, van smartphones en computers tot elektrische voertuigen, AI‑systemen en industriële apparatuur. 

Ze vormen de kerntechnologie achter geïntegreerde schakelingen (IC), ook wel chips genoemd, waardoor snellere, kleinere en efficiëntere apparaten kunnen worden gemaakt. 

Wat halfgeleiders betreft, het zijn materialen met een elektrische geleidbaarheid tussen die van geleiders en isolatoren. Silicium (Si), germanium (Ge) en galliumarsenide (GaAs) zijn enkele voorbeelden.

Ze laten elektrische stroom doorstromen afhankelijk van factoren zoals de omgevingstemperatuur of het magnetisch veld waaraan ze worden blootgesteld. De geleidbaarheid van halfgeleiders kan worden aangepast via een proces dat doping wordt genoemd, waarbij onzuiverheden worden toegevoegd. 

Naast de basis van IC’s omvatten de toepassingen van halfgeleiders transistoren, die worden gebruikt voor schakelen en versterking in elektronische schakelingen. Halfgeleiders worden ook gebruikt in zonnepanelen om zonlicht om te zetten in elektriciteit, evenals diodes die stroom in één richting laten vloeien. 

De verschuiving naar gelaagde halfgeleiderarchitecturen

Naarmate halfgeleiders blijven evolueren, krijgen organisch‑anorganische hybride halfgeleiders veel aandacht vanwege hun hoge zonnecelrendement en toepassingen voor lichtgevende diodes (LED’s). Ze combineren de flexibiliteit en kostenefficiëntie van organische materialen met de elektronische eigenschappen van anorganische materialen in één materiaal. 

Deze gelaagde halfgeleiders, met een structuur van afzonderlijke lagen van organische en anorganische componenten die kunnen worden gerangschikt voor unieke eigenschappen en functionaliteiten, vormen materialen van de volgende generatie voor gebruik in high‑performance opto‑elektronische apparaten.

Op het gebied van gelaagde halfgeleiders toonden onderzoekers van de Australian National University enkele jaren geleden een nieuw ‘sandwich‑style’ fabricatieproces om ultra‑lage‑energie‑elektronica te realiseren op basis van de licht‑materie‑hybride deeltjes exciton‑polaritonen.

Hier werd een halfgeleider van één‑atomdikte geplaatst tussen twee spiegels die robuuste, dissipatieloze, lang‑afstand‑propagatie van een exciton (een elektron gebonden aan een hole) gemengd met licht dat tussen parallelle spiegels weerkaatst, vertoonden.

Het ‘sandwich‑style’ fabricatieproces voor een hoogwaardige optische microcaviteit minimaliseerde schade aan de atomaire dunne halfgeleider terwijl de interactie tussen de excitonen en de fotonen werd gemaximaliseerd.

Het atomaire dunne materiaal was hier niet het belangrijkste, maar de sleutel lag in de constructie van de microcaviteit. Deze werd opgebouwd door de componenten één voor één te stapelen, eerst de onderste spiegel, daarna een halfgeleiderlaag en tenslotte een spiegel bovenop. De bovenstructuur werd echter apart gefabriceerd om schade aan de atomaire dunne halfgeleider te voorkomen en de eigenschappen van de excitonen te behouden.

Hoewel deze studie zich richtte op licht‑materie‑interacties in ultra‑dunne halfgeleiders, duwen andere onderzoeksteams hybride materialen in de richting van geheugencapaciteit.

Hybride ZnTe‑halfgeleider onthult geavanceerde geheugencapaciteiten

Onder de gelaagde halfgeleiders krijgt β‑ZnTe(en)₀.₅ bijzonder veel aandacht vanwege zijn superieure structurele orde en langere stabiliteit dan de meeste.

Hier maakt de integratie van de organische materiaallaag verstelbare optische eigenschappen, aanpassingen aan de bandstructuur en een verhoogde exciton‑bindingsenergie mogelijk. 

Dus onderzoekers van Washington State University samen met die van de University of North Carolina at Charlotte bedachten een gelaagd materiaal¹ dat zijn vorm dramatisch kan veranderen onder druk, waarmee het vermogen wordt aangetoond om computers meer data te laten opslaan met minder energie.

Het materiaal is gebaseerd op hybride zink‑telluride (ZnTe) waarvan de studie aangaf dat het verbazingwekkende structurele veranderingen ondergaat wanneer het samengeperst wordt.

Zink‑telluride is een halfgeleidend materiaal met een directe bandgap van ongeveer 2,26 eV. Deze directe bandgap maakt efficiënte lichtemissie en -absorptie mogelijk, waardoor ZnTe geschikt is voor opto‑elektronische toepassingen zoals zonnecellen, fotodetectoren en LED’s, evenals voor lithium‑ionbatterijen, laserdiodes, microgolfgeneratoren en high‑speed elektronische apparaten.

De structurele veranderingen die het hybride ZnTe‑gebaseerde materiaal onderging in de nieuwste studie, gefinancierd door het Amerikaanse Department of Energy, maken het een veelbelovende kandidaat voor phase‑change memory (PCM).

PCM is een type niet‑vluchtig random‑access‑memory (RAM) dat anders werkt dan het geheugen in onze apparaten. Het is ultra‑snel en langdurig gegevensopslag dat geen constante stroombron nodig heeft.

Dit geheugentype maakt gebruik van de veranderingen in de fase van een materiaal, tussen amorfe en kristallijne stadia. Deze faseverandering beïnvloedt de elektrische weerstand van het materiaal, waardoor data kan worden opgeslagen en opgehaald. 

Volgens de studie, net als In₂Se₃ (Indium(III) selenide), dat faseveranderingen ondergaat bij matige drukken, kunnen meerdere fasen van ZnTe(en)₀.₅ ook worden benut in geheugentoepassingen.

In₂Se₃ en Indium‑selenide (InSe) zijn gelaagde halfgeleidermaterialen die een verscheidenheid aan kristalstructuren en fasen vertonen.

Een interessante studie van eind vorig jaar ontdekte een energie‑efficiënte methode om kristallen om te zetten in glas, wat een zeer efficiënte oplossing biedt voor apparaten die PCM gebruiken. 

PCM is momenteel afhankelijk van een zeer energie‑intensief proces, waarbij kristallen boven 800 °C worden verhit met lasers of elektrische pulsen, gevolgd door snelle afkoeling. De studie, uitgevoerd door onderzoekers van IISc, UPenn en MIT, toonde aan dat Indium‑selenide de overgang van vast naar glas mogelijk maakt via interne “self‑shocks”, waardoor hoge temperaturen niet nodig zijn. 

Wat er hier gebeurt, is dat wanneer een elektrische stroom wordt toegepast op de dunne, gelaagde structuur van Indium‑selenide, de lagen in verschillende richtingen verschuiven, waardoor gebieden ontstaan waar atomen in specifieke patronen zijn uitgelijnd, gescheiden door grenzen die functioneren als tektonische platen; wanneer ze botsen, produceren ze kleine mechanische en elektrische schokken.

Elk van deze schokken verstoort de kristalstructuur, waardoor kleine patches ontstaan die in glas transformeren, wat zich uiteindelijk over het hele materiaal verspreidt.

“PCM‑onderzoek was vertraagd door de uitdaging geschikte materialen te vinden. Maar nu hebben de 2D‑structuur en unieke eigenschappen van Indium‑selenide samengekomen om dit ultra‑lage‑energiepad voor amorfisatie via schokken te creëren,” zei co‑auteur Pavan Nukala, die toevoegde dat ze “werken aan integratie van deze apparaten op CMOS‑platforms.”

Klik hier om te leren of organische halfgeleiders de voordelen van grafeen & silicium combineren.

Dramatische door druk geïnduceerde structurele transformaties

In de nieuwste studie heet het vervaardigde materiaal β‑ZnTe(en)₀.₅ en bestaat het uit afwisselende lagen van zink‑telluride.

Naast afwisselende lagen van twee‑monolaag‑dikke ZnTe, gebruikte het team ethyleendiamine (en=C₂N₂H₈) als het organische molecuul. Het is een verbinding die wordt gebruikt als bouwsteen voor de productie van chemische producten. Als contactsensitizer kan het zowel lokale als gegeneraliseerde reacties veroorzaken.

Door de structuur van het materiaal te vergelijken met die van een sandwich, merkte de studiemedewerker Matt McCluskey, professor fysica aan WSU, op:

“Stel je lagen keramiek en plastic voor die steeds weer op elkaar gestapeld worden. Wanneer je druk uitoefent, vervormen de zachte delen meer dan de stijve.”

Om de druk toe te passen, gebruikten ze een diamanten aamcel (DAC), een hogedrukapparaat dat in materiaalkunde‑ en engineeringexperimenten wordt gebruikt om materialen onder extreme omstandigheden te bestuderen. DAC maakt het mogelijk een klein monster tot extreme drukken te comprimeren.

Dus gebruikte het team DAC om extreme druk toe te passen en observeerde vervolgens de veranderingen in het materiaal met behulp van het röntgensysteem. 

Het röntgendiffractie‑systeem (XRD) was eigenlijk wat het onderzoek mogelijk maakte, aangeschaft enkele jaren geleden voor meer dan $1 miljoen met de hulp van de Murdock Charitable Trust.

XRD is een laboratoriumtechniek die röntgenstralen gebruikt om structurele informatie zoals kristalstructuur en chemische samenstelling van materialen te onthullen. Deze krachtige methode stelde onderzoekers in staat om kleine structurele veranderingen in het materiaal te observeren terwijl ze plaatsvonden.

Hoewel dit soort experimenten meestal plaatsvinden in nationale faciliteiten zoals de Advanced Light Source bij het Berkeley National Laboratory in Californië, wat veel tijd kost, konden de onderzoekers dankzij de gespecialiseerde apparatuur alles uitvoeren op de Pullman‑campus van WSU, en dat maakt het “zo veel spannender”.

“Het kunnen uitvoeren van deze hogedrukexperimenten op de campus gaf ons de flexibiliteit om echt te graven in wat er gebeurde. We ontdekten dat het materiaal niet alleen samendrukte — het veranderde zijn interne structuur op een grote manier.”

– McCluskey

De observatie toonde aan dat het materiaal twee faseveranderingen onderging bij lage drukken van 2,1 en 3,3 GPa. De verandering in materiaalstructuur was in beide gevallen dramatisch, met een krimp van tot wel 8 %.

De in XRD waargenomen veranderingen werden vervolgens geverifieerd met Fourier‑transform infraroodspectroscopie (FTIR), een techniek die een infraroodspectrum van emissie of absorptie van een vaste stof, vloeistof of gas oplevert. Het toonde ook veranderingen in de vibratiemodi bij beide fase‑overgangsdrukken.

Potentiële toekomstige toepassingen

Een fase‑overgang van een materiaal verwijst naar veranderingen in de structuur op atomair niveau als gevolg van veranderingen in externe omstandigheden zoals druk of temperatuur. In deze studie vonden de veranderingen plaats tussen twee vaste toestanden, waarbij de atomen zich herschikten tot een dichtere configuratie. 

Dergelijke overgangen kunnen bepaalde eigenschappen van de materialen aanzienlijk veranderen, zoals hoe ze licht uitstralen of elektriciteit geleiden. 

Aangezien verschillende structurele fasen doorgaans verschillende optische en elektrische kenmerken hebben, wordt aangenomen dat ze nuttig zijn voor het coderen van digitale informatie, wat de basis vormt van phase‑change memory.

De overgangen voor β‑ZnTe(en)₀.₅, volgens de studie, vonden plaats bij drukken die aanzienlijk lager zijn dan de laagst gerapporteerde faseverandering voor zuiver zink‑telluride.

According to Miller:

“De meeste materialen van dit type hebben enorme hoeveelheden druk nodig om de structuur te veranderen, maar dit materiaal begon al te transformeren bij een tiende van de druk die we gewoonlijk zien bij zuiver zink‑telluride. Dat maakt dit materiaal zo interessant — het vertoont grote effecten bij veel lagere drukken.”

Maar dat is niet alles. De bevindingen suggereren een hoge anisotrope drukrespons van het materiaal, wat betekent dat de eigenschap in verschillende richtingen in grootte varieert, waarbij de organische laag zeer reactief is op drukveranderingen.

Door de richtingsgevoeligheid, waarbij de richting waarin het materiaal wordt samengedrukt zijn gedrag verandert, te combineren met de gelaagde structuur, wordt het materiaal nog beter afstelbaar, waardoor de deur wordt geopend naar extra toepassingen zoals fotonica, waar licht wordt gebruikt om informatie te verplaatsen en op te slaan.

Het materiaal zendt daadwerkelijk ultraviolet licht uit, en onderzoekers denken dat de gloed kan verschuiven afhankelijk van de fase. Deze mogelijkheid kan β‑ZnTe(en)₀.₅ bruikbaar maken in glasvezel‑optiek of optisch rekenen.

Hoewel het enorme potentie toont als commercieel geheugermateriaal, bevindt β‑ZnTe(en)₀.₅ zich nog in een zeer vroeg ontwikkelingsstadium als Miller stelt:

“We staan nog maar aan het begin van het begrijpen wat deze hybride materialen kunnen doen.”

De volgende stap van het team in de studie is te onderzoeken hoe het materiaal reageert op temperatuurveranderingen en vervolgens te onderzoeken wat er gebeurt wanneer zowel warmte als druk op het materiaal worden toegepast. Op deze manier zullen de onderzoekers een completere kaart van de β‑ZnTe(en)₀‑gedragingen en mogelijkheden van het materiaal opbouwen.

Investeren in halfgeleiders

In de wereld van halfgeleiders is de marktwaarde van $2,8 biljoen NVIDIA Corporation (NVDA ) de grootste naam, die AI‑ en GPU‑technologieën domineert. Andere prominente spelers in het veld zijn de $90 mld legacy chipmaker Intel Corporation (INTC ), die uitbreidt naar AI en geavanceerd geheugen, en $160 mld Advanced Micro Devices (AMD ), die zich richt op opkomende halfgeleidertechnologie.

Maar vandaag gaan we dieper in op Micron (MU ), dat zich specialiseert in geheugen en opslag, inclusief phase‑change memory (PCM). Met geheugen en opslag die de knelpunten worden in moderne computing, onderscheidt Micron zich als een van de weinige bedrijven die deze uitdaging frontaal aanpakken. En nu de vraag toeneemt vanuit AI, cloudinfrastructuur en edge‑apparaten, maakt Micron’s leiderschap in zowel DRAM als NAND, samen met zijn werk aan next‑gen technologieën zoals phase‑change memory, het een cruciale speler om in de gaten te houden in de halfgeleidersector.

Micron Technology (MU )

De leverancier van geheugen‑ en opslagoplossingen biedt een portfolio van high‑performance DRAM, NAND en NOR‑producten. 

Het opereert via de Compute and Networking Business Unit (CNBU), die oplossingen biedt voor datacenters, grafische, pc‑ en netwerkmarkten; de Mobile Business Unit (MBU) bedient de smartphone‑ en andere mobiele apparaatmarkten; de Embedded Business Unit (EBU), die de industriële, automotive en consument‑embedded markten bedient; en de Storage Business Unit (SBU), die SSD’s en component‑level opslagoplossingen omvat.

Het bedrijf is de eerste die wereldwijd HBM3E‑ en SOCAMM‑geheugenoplossingen verzendt voor AI‑servers in samenwerking met NVIDIA. 

Micron heeft een marktkapitalisatie van $90,2 mld met aandelen die handelen tegen $79,55, slechts ongeveer 4 % daling YTD. De EPS (TTM) is 4,14, de P/E (TTM) is 19,51, en het dividendrendement bedraagt slechts 0,57 %.

In maart kondigde het bedrijf de financiële resultaten aan voor zijn Q2 van het fiscale jaar 2025, die eindigde 27 februari, 2025, met een omzet van $8,05 mrd, een daling ten opzichte van $8,71 mrd in het voorgaande kwartaal maar een stijging ten opzichte van $5,82 mrd in dezelfde periode vorig jaar.

De GAAP nettowinst bedroeg $1,58 mrd, of $1,41 per verwaterde aandeel terwijl de Non‑GAAP nettowinst $1,78 mrd was, of $1,56 per verwaterde aandeel. De operationele kasstroom voor de periode bedroeg $3,94 mrd.

“Micron leverde fiscale Q2 EPS boven de verwachting en de datacenteromzet verdrievoudigde ten opzichte van een jaar geleden,” zei CEO Sanjay Mehrotra die opmerkte dat de lancering van de 1‑gamma DRAM‑node de technologische leiderschap van het bedrijf uitbreidt. In Q3 verwacht Micron een “record kwartaalomzet… met DRAM‑ en NAND‑vraaggroei in zowel datacenter‑ als consumentgerichte markten.”

Laatste nieuws over Micron Technology

Conclusie

Als de ruggengraat van moderne elektronica zijn halfgeleiders cruciaal voor technologische vooruitgang. Het is door innovatie in halfgeleidertechnologie dat nieuwe en betere producten zijn ontstaan, evenals doorbraken in alles van smartphones tot AI‑systemen.

Tegen de achtergrond markeert het nieuwe onderzoek een grote verschuiving door verder te gaan dan traditionele silicium‑gebaseerde architecturen naar gelaagde organisch‑anorganische hybriden. De ontdekking van het unieke vermogen van het materiaal om fase‑overgangen te ondergaan bij lage drukken met structurele afstelbaarheid introduceert een nieuw front voor materialen in opto‑elektronica en maakt β‑ZnTe(en)₀.₅ een veelbelovende kandidaat voor energie‑efficiënte, high‑performance geheugentechnologieën. 

Verdere verkenning onder variërende thermische omstandigheden kan zelfs volledig nieuwe toepassingen voor het materiaal openen in optisch rekenen, glasvezel‑optiek en low‑power data‑opslag, wat een spannend hoofdstuk markeert in de voortdurende halfgeleiderrevolutie.

Klik hier voor een lijst van top halfgeleiderapparatuur aandelen.

Gerefereerde studies:

1. Miller, J. C., Wang, Y., Zhang, Y., Schmedake, T. A., & McCluskey, M. D. (2025). Fasetransities van β‑ZnTe(en)₀.₅ onder hydrostatische druk. AIP Advances, 15(4), 045308. https://doi.org/10.1063/5.0266352