Lagdelte halvledere kan være neste sprang i minnelagring

Halvledere er de grunnleggende byggeklossene i nesten all moderne elektronikk, og driver alt fra smarttelefoner og datamaskiner til elektriske kjøretøy, AI‑systemer og industrielt utstyr. 

De er kjerneteknologien bak integrerte kretser (IC), også kjent som chips, som muliggjør skapelsen av raskere, mindre og mer effektive enheter. 

Når det gjelder hva halvledere er, er de materialer med elektrisk ledningsevne mellom ledere og isolatorer. Silisium (Si), germanium (Ge) og galliumarsenid (GaAs) er noen eksempler.

De tillater elektrisk strøm å passere avhengig av faktorer som omgivelsestemperatur eller magnetfeltet de utsettes for. Ledningsevnen til halvledere kan justeres gjennom en prosess kalt doping, hvor urenheter tilsettes. 

I tillegg til å være grunnlaget for IC‑er, inkluderer halvledernes anvendelser transistorer, som brukes til switching og forsterkning i elektroniske kretser. Halvledere brukes også i solcellepaneler for å omdanne sollys til elektrisitet, samt dioder som tillater strøm å flyte i én retning. 

Skiftet mot lagdelte halvlederarkitekturer

Etter hvert som halvledere fortsetter å utvikle seg, får organiske‑ukorganiske hybridhalvledere stor oppmerksomhet på grunn av deres høye solcelleeffektivitet og anvendelser i lysdioder (LED). De kombinerer fleksibiliteten og kostnadseffektiviteten til organiske materialer med de elektroniske egenskapene til uorganiske materialer i ett materiale. 

Disse lagdelte halvlederne, med en struktur av distinkte lag av organiske og uorganiske komponenter som kan ordnes for unike egenskaper og funksjonaliteter, representerer neste generasjons materialer for bruk i høyytelses optoelektroniske enheter.

Innenfor området lagdelte halvledere demonstrerte forskere ved Australian National University for noen år siden en ny ‘sandwich‑stil’ fremstillingsprosess for å oppnå ultralavenergi‑elektronikk basert på lys‑materie hybridpartikler, eksiton‑polariton.

Her ble en ett‑atom‑tynn halvleder plassert mellom to speil som viste robust, dissipasjonsfri, langdistansepropagasjon av en eksiton (et elektron bundet til et hull) blandet med lys som reflekteres mellom parallelle speil.

Den ‘sandwich‑stil’ fremstillingsprosessen for høy‑kvalitets optisk mikrokavitet minimerte skader på den atomisk tynne halvlederen samtidig som den maksimerte interaksjonen mellom eksitonene og fotonene.

Det atomisk tynne materialet var ikke det viktige her; snarere var nøkkelen konstruksjonen av mikrokaviteten. Den ble bygget ved å stable komponentene én etter én med det nederste speilet først, deretter et halvlederlag og til slutt et speil på toppen. Den øvre strukturen ble imidlertid fremstilt separat for å unngå skade på den atomisk tynne halvlederen og opprettholde eksitonenes egenskaper.

Selv om denne studien fokuserte på lys‑materie interaksjoner i ultratynne halvledere, presser andre forskergrupper hybridmaterialer i retning av minnelagring.

Hybrid ZnTe‑halvleder avslører avanserte minnekapasiteter

Blant lagdelte halvledere får β‑ZnTe(en)₀.₅ spesielt mye oppmerksomhet på grunn av sin overlegne strukturelle orden samt lengre stabilitet enn de fleste.

Her gjør innlemmingen av det organiske materiallaget det mulig å justere optiske egenskaper, endre båndstrukturen og øke eksitonbindingsenergien. 

Så kom forskere fra Washington State University sammen med de fra University of North Carolina at Charlotte opp med et lagdelt materiale som kan endre formen dramatisk når det utsettes for trykk, og demonstrerer dets evne til å hjelpe datamaskiner med å lagre mer data med mindre energi.

Materialet er basert på hybrid sinktellurid (ZnTe) som studien viste gjennomgikk fantastiske strukturelle endringer når det ble presset sammen.

Sinktellurid er et halvledermateriale med et direkte båndgap på omtrent 2,26 eV. Det direkte båndgapet tillater effektiv lysutstråling og absorpsjon, noe som gjør ZnTe egnet for optoelektroniske anvendelser inkludert solceller, fotodetektorer og LED‑er, samt i litium‑ion‑batterier, laserdioder, mikrobølgegeneratorer og høyhastighets elektroniske enheter.

De strukturelle endringene materialet basert på hybrid ZnTe gjennomgikk i den siste studien, som ble finansiert av USAs energidepartement, gjør det til en lovende kandidat for faseendringsminne (PCM).

PCM er en type ikke‑flyktig tilfeldig tilgangsminne (RAM) som fungerer annerledes enn minnet i våre enheter. Det er ultrarask og langvarig datalagring som ikke trenger en konstant strømkilde.

Denne minnetypen utnytter endringene i materialets fase, mellom amorfe og krystallinske tilstander. Denne faseendringen påvirker materialets elektriske motstand, noe som gjør det mulig å lagre og hente data. 

Ifølge studien, på samme måte som In₂Se₃ (indium(III) selenid), som gjennomgår faseendringer ved moderate trykk, kan flere faser av ZnTe(en)₀.₅ også brukes i minneenheter.

In₂Se₃ og indium selenid (InSe) er lagdelte halvledermaterialer som viser en rekke krystallstrukturer og faser.

En interessant studie fra sent i fjor oppdaget faktisk en energieffektiv metode for å konvertere krystaller til glass, og presenterte en svært effektiv løsning for enheter som bruker PCM. 

PCM er i dag avhengig av en svært energikrevende prosess, som innebærer oppvarming av krystaller over 800 °C med laser eller elektriske pulser etterfulgt av rask avkjøling. Studien, utført av forskere fra IISc, UPenn og MIT, viste at indium selenid muliggjør overgangen fra fast til glass gjennom interne «selv‑sjokk», slik at høye temperaturer ikke er nødvendig. 

Det som skjer her er at når en elektrisk strøm påføres den tynne, lagdelte strukturen av indium selenid, glir lagene i forskjellige retninger, og skaper områder hvor atomer ordner seg i spesifikke mønstre adskilt av grenser som fungerer som tektoniske plater, og når de kolliderer, produserer de små mekaniske og elektriske sjokk.

Hvert av disse sjokkene forstyrrer krystallstrukturen, og skaper små flekker som omdannes til glass, som til slutt sprer seg gjennom hele materialet.

“PCM‑forskning hadde avtatt på grunn av utfordringen med å finne egnede materialer. Men nå har 2D‑strukturen og de unike egenskapene til indium selenid konvergert for å skape denne ultralavenergi‑veien for amorfisering via sjokk,” sa medforfatter Pavan Nukala, som la til at de “jobber med å integrere disse enhetene på CMOS‑plattformer.”

Klikk her for å lære om organiske halvledere kombinerer fordelene med grafen og silisium.

Dramatiske trykkinduserte strukturelle transformasjoner

I den siste studien kalles materialet som er fremstilt β‑ZnTe(en)₀.₅ og det består av alternerende lag av sinktellurid.

Sammen med alternerende lag av to‑monolag‑tykk ZnTe, brukte teamet etylendiamin (en=C2N2H8) som det organiske molekylet. Det er en forbindelse som brukes som byggestein i produksjon av kjemiske produkter. Som kontakt‑sensitiserer er den i stand til å fremkalle både lokale og generelle reaksjoner.

Når man sammenligner strukturen til materialet med en sandwich, bemerket studiens medforfatter Matt McCluskey, som er professor i fysikk ved WSU:

“Forestill deg lag av keramikk og plast stablet oppå hverandre. Når du påfører trykk, kollapser de myke delene mer enn de stive.”

For å påføre trykket brukte de en diamant‑anvil‑celle (DAC), en høy‑trykksenhet brukt i materialvitenskap og ingeniøreksperimenter for å studere materialer under ekstreme forhold. DAC gjør det mulig å komprimere en liten prøve til ekstreme trykk.

Dermed brukte teamet DAC for å påføre ekstremt trykk og observerte deretter endringene i materialet ved hjelp av røntgensystemet. 

X‑ray diffraksjons‑systemet (XRD) var faktisk det som gjorde forskningen mulig, og ble anskaffet for noen år siden for over 1 million dollar med hjelp fra Murdock Charitable Trust.

XRD er en laboratorieteknikk som bruker røntgenstråler for å avdekke strukturell informasjon som krystallstruktur og kjemisk sammensetning av materialer. Denne kraftige metoden tillot forskerne å observere små strukturelle endringer i materialet i sanntid.

Selv om denne typen eksperimenter vanligvis foregår ved nasjonale fasiliteter som Advanced Light Source ved Berkeley National Laboratory i California, og krever mye tid, takket være spesialutstyret kunne forskerne utføre alt på WSU’s Pullman‑campus, og det gjør det “enda mer spennende”.

“Å kunne utføre disse høy‑trykks‑eksperimentene på campus ga oss fleksibiliteten til virkelig å grave i hva som skjedde. Vi oppdaget at materialet ikke bare ble komprimert – det endret faktisk sin interne struktur på en betydelig måte.”

– McCluskey

Observasjonen viste at materialet gjennomgikk to faseendringer ved lave trykk på 2,1 og 3,3 gigapascal (GPa). Endringen i materialstruktur var dramatisk i begge tilfeller, med en krymping på opptil 8 %.

Endringene observert i XRD ble deretter verifisert med Fourier‑transform infrarød (FTIR) spektroskopi, en teknikk som brukes for å oppnå et infrarødt spektrum av emisjon eller absorpsjon av et fast stoff, væske eller gass. Den demonstrerte også endringer i vibrasjonsmodusene ved begge faseovergangstrykk.

Potensielle fremtidige anvendelser

En faseovergang i et materiale refererer til endringer i strukturen på atomnivå som følge av endringer i ytre forhold som trykk eller temperatur. I denne studien oppstod endringene mellom to faste tilstander, hvor atomene omorganiserte seg til en tettere konfigurasjon. 

Slike overganger kan endre visse egenskaper ved materialene betydelig, som hvordan de emitterer lys eller leder elektrisitet. 

Med ulike strukturelle faser som vanligvis har forskjellige optiske og elektriske egenskaper, antas de å være nyttige for å kode digital informasjon, som er grunnlaget for faseendringsminne.

Overgangene for β‑ZnTe(en)₀.₅, ifølge studien, oppstod ved trykk som er betydelig lavere enn den laveste rapporterte faseendringen for ren sinktellurid.

“De fleste materialer som dette krever enorme mengder trykk for å endre strukturen, men dette begynte å transformere ved en tidel av trykket vi vanligvis ser i ren sinktellurid. Det er det som gjør dette materialet så interessant – det viser store effekter ved mye lavere trykk.”

Men det er ikke alt. Studiefinnene antyder en høy anisotropisk trykkrespons i materialet, noe som betyr at egenskapen varierer i størrelse i ulike retninger, med det organiske laget som er svært reaktivt på trykkendringer.

Kombinasjonen av retningsfølsomhet, der retningen materialet komprimeres i endrer oppførselen, med den lagdelte strukturen gjør materialet enda mer justerbart, og åpner døren for flere tilfeller som fotonikk, hvor lys brukes til å flytte og lagre informasjon.

Materialet emitterer faktisk ultrafiolett lys, og forskere tror at gløden kan skifte avhengig av fasen. Denne evnen kan gjøre β‑ZnTe(en)₀.₅ nyttig i fiberoptikk eller optisk databehandling.

Selv om det viser enormt potensial som kommersielt minnemateriale, er β‑ZnTe(en)₀.₅ fortsatt i en svært tidlig utviklingsfase, som Miller uttaler:

“Vi er bare i starten av å forstå hva disse hybridmaterialene kan gjøre.”

Teamets neste steg i studien er å lære hvordan materialet reagerer på temperaturendringer og deretter undersøke hva som skjer når både varme og trykk påføres materialet. På denne måten vil forskerne bygge et mer komplett kart over materialets β‑ZnTe(en)₀‑atferd og muligheter.

Investering i halvledere

I halvlederverdenen er NVIDIA Corporation med en markedsverdi på 2,8 billion dollar (NVDA ) det største navnet, som dominerer AI‑ og GPU‑teknologier. Andre fremtredende aktører i feltet inkluderer den 90 milliarder dollar gamle chipprodusenten Intel Corporation (INTC ), som utvider seg inn i AI og avansert minne, samt 160 milliarder dollar store Advanced Micro Devices (AMD ), som utforsker fremvoksende halvlederteknologi.

Men i dag skal vi se nærmere på Micron (MU ), som spesialiserer seg på minne og lagring, inkludert faseendringsminne (PCM). Med minne og lagring som blir flaskehalser i moderne databehandling, skiller Micron seg ut som ett av få selskaper som takler denne utfordringen direkte. Og etter hvert som etterspørselen øker fra AI, sky‑infrastruktur og edge‑enheter, gjør Microns ledelse innen både DRAM og NAND, sammen med arbeidet med neste generasjons‑teknologi som faseendringsminne, det til en kritisk aktør å følge med på i halvlederbransjen.

Micron Technology (MU )

Minne‑ og lagringsløsningsleverandøren leverer en portefølje av høy‑ytelses DRAM-, NAND‑ og NOR‑produkter. 

Den opererer via Compute and Networking Business Unit (CNBU), som leverer løsninger for datasenter-, grafikk‑, PC‑ og nettverksmarkeder, Mobile Business Unit (MBU) som betjener smarttelefon‑ og andre mobilmarkedet, Embedded Business Unit (EBU), som betjener industrielle, bil‑ og forbruker‑embedded‑markeder, samt Storage Business Unit (SBU), som inkluderer SSD‑er og komponent‑nivå lagringsløsninger.

Selskapet er det første som leverer HBM3E‑ og SOCAMM‑minneløsninger globalt for AI‑servere i samarbeid med NVIDIA. 

Micron har en markedsverdi på 90,2 milliarder dollar, med aksjene handlet til 79,55 $, ned kun ca. 4 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er 4,14, P/E (TTM) er 19,51, og utbytteavkastningen er kun 0,57 %.

I mars kunngjorde selskapet de finansielle resultatene for Q2 i regnskapsåret 2025, som avsluttet 27. februar 2025, og avslørte en omsetning på 8,05 milliarder dollar, ned fra 8,71 milliarder i forrige kvartal men opp fra 5,82 milliarder i samme periode året før.

GAAP‑nettoinntekt var 1,58 milliarder dollar, eller 1,41 $ per utvannet aksje, mens Non‑GAAP‑nettoinntekt var 1,78 milliarder dollar, eller 1,56 $ per utvannet aksje. Driftskontantstrømmen for perioden var 3,94 milliarder dollar.

“Micron leverte Q2‑EPS over veiledning og datasenter‑omsetningen tredoblet seg fra ett år siden,” sa administrerende direktør Sanjay Mehrotra, som bemerket lanseringen av 1‑gamma DRAM‑noden som utvider selskapets teknologiledelse. I Q3 forventer Micron å nå “rekord kvartalsomsetning… med DRAM‑ og NAND‑etterspørselsvekst i både datasenter‑ og forbrukermarkeder.”

Latest on Micron Technology

Konklusjon

Som ryggraden i moderne elektronikk er halvledere kritiske for teknologisk fremgang. Det er gjennom innovasjon innen halvlederteknologi at nye og bedre produkter, samt gjennombrudd i alt fra smarttelefoner til AI‑systemer, har blitt mulig.

Mot denne bakgrunnen markerer den nye forskningen et stort skifte ved å gå utover tradisjonelle silisium‑baserte arkitekturer til lagdelte organiske‑ukorganiske hybrider. Oppdagelsen av materialets unike evne til å gjennomgå faseoverganger ved lave trykk med strukturell justerbarhet introduserer en ny frontlinje for materialer i optoelektronikk og gjør β‑ZnTe(en)₀.₅ til en lovende kandidat for energieffektive, høy‑ytelses minneteknologier. 

Videre utforskning under varierende termiske forhold kan til og med åpne helt nye anvendelser for materialet i optisk databehandling, fiberoptikk og lav‑energi datalagring, og markerer et spennende kapittel i den pågående halvlederrevolusjonen.

Klikk her for en liste over de beste halvlederutstyr‑aksjene.

Studier referert:

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