Computação
Semicondutores em Camadas Podem Ser o Próximo Salto no Armazenamento de Memória
Os semicondutores são os blocos de construção fundamentais de quase todos os eletrônicos modernos, alimentando tudo, desde smartphones e computadores até veículos elétricos, sistemas de IA e equipamentos industriais.
Eles são a tecnologia central por trás dos circuitos integrados (CI), também conhecidos como chips, permitindo a criação de dispositivos mais rápidos, menores e mais eficientes.
Quanto ao que são os semicondutores, são materiais com condutividade elétrica entre condutores e isolantes. Silício (Si), Germânio (Ge) e Arseniato de Gálio (GaAs) são alguns exemplos.
Eles permitem que correntes elétricas passem dependendo de fatores como a temperatura ambiente ou o campo magnético ao qual são submetidos. A condutividade dos semicondutores pode ser ajustada por meio de um processo chamado dopagem, onde impurezas são adicionadas a eles.
Além de serem a base dos CIs, as aplicações dos semicondutores incluem transistores, que são usados para comutação e amplificação em circuitos eletrônicos. Os semicondutores também são usados em painéis solares para converter a luz solar em eletricidade, bem como em diodos que permitem a corrente fluir em uma única direção.
A Mudança Rumo às Arquiteturas de Semicondutores em Camadas
À medida que os semicondutores continuam a evoluir, os semicondutores híbridos orgânico‑inorgânicos estão ganhando muito interesse devido à sua alta eficiência em células solares e aplicações em diodos emissores de luz (LEDs). Eles combinam a flexibilidade e o baixo custo dos materiais orgânicos com as propriedades eletrônicas dos materiais inorgânicos em um único material.
Esses semicondutores em camadas, com uma estrutura de camadas distintas de componentes orgânicos e inorgânicos que podem ser organizadas para propriedades e funcionalidades únicas, apresentam materiais de próxima geração para uso em dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho.
No domínio dos semicondutores em camadas, há alguns anos, pesquisadores da Australian National University demonstraram um novo processo de fabricação em estilo ‘sanduíche’ para alcançar eletrônicos de ultra baixa energia baseados nas partículas híbridas luz‑matéria exciton‑polaritons.
Aqui, um semicondutor de um átomo de espessura foi colocado entre dois espelhos que mostraram propagação robusta, sem dissipação e de longo alcance de um exciton (um elétron ligado a um buraco) misturado com luz refletindo entre espelhos paralelos.
O processo de fabricação em estilo ‘sanduíche’ para microcavidade óptica de alta qualidade minimizou os danos ao semicondutor atômico fino enquanto maximizava a interação entre os excitons e os fótons.
O material atômico fino não era o ponto importante aqui; na verdade, a chave foi a construção da microcavidade. E ela foi construída empilhando os componentes um a um, começando pelo espelho inferior, depois uma camada de semicondutor e, finalmente, um espelho superior. No entanto, a estrutura superior foi fabricada separadamente para evitar danificar o semicondutor atômico fino e manter as propriedades dos excitons.
Embora este estudo tenha se concentrado nas interações luz‑matéria em semicondutores ultra finos, outras equipes de pesquisa estão impulsionando materiais híbridos na direção do armazenamento de memória.
Semicondutor Híbrido de ZnTe Revela Capacidades Avançadas de Memória
Entre os semicondutores em camadas, o β‑ZnTe(en)₀.₅, em particular, tem recebido atenção especial devido à sua ordem estrutural superior, bem como maior estabilidade que a maioria.
Aqui, a incorporação da camada de material orgânico permite propriedades ópticas ajustáveis, modificações na estrutura de bandas e um aumento na energia de ligação do exciton.
Assim, pesquisadores da Washington State University juntamente com os da University of North Carolina at Charlotte desenvolveram um material em camadas1 que pode mudar drasticamente sua forma quando submetido a pressão, demonstrando sua capacidade de ajudar os computadores a armazenar mais dados usando menos energia.
O material é baseado em telureto de zinco híbrido (ZnTe) que o estudo mostrou passando por mudanças estruturais impressionantes quando comprimido.
O telureto de zinco é um material semicondutor com uma banda proibida direta de cerca de 2,26 eV. Sua banda direta permite emissão e absorção de luz eficientes, tornando o ZnTe adequado para aplicações optoeletrônicas, incluindo células solares, fotodetectores e LEDs, bem como em baterias de íon‑lítio, diodos laser, geradores de micro‑ondas e dispositivos eletrônicos de alta velocidade.
As mudanças estruturais que o material híbrido à base de ZnTe passou no estudo mais recente, financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, o tornam um candidato promissor para memória de mudança de fase (PCM).
PCM é um tipo de memória de acesso aleatório não volátil (RAM) que funciona de maneira diferente da memória encontrada em nossos dispositivos. É um armazenamento de dados ultra‑rápido e duradouro que não necessita de uma fonte de energia constante.
Esse tipo de memória aproveita as mudanças de fase de um material, entre estágios amorfos e cristalinos. Essa mudança de fase afeta a resistência elétrica do material, permitindo que os dados sejam armazenados e recuperados.
De acordo com o estudo, assim como o In2Se3 (selênio de índio(III)), que sofre mudanças de fase sob pressões moderadas, múltiplas fases de ZnTe(en)₀.₅ também podem ser utilizadas em dispositivos de memória.
In2Se3 e selênio de índio (InSe) são materiais semicondutores em camadas que exibem uma variedade de estruturas cristalinas e fases.
Um estudo interessante do final do ano passado descobriu, na verdade, um método energeticamente eficiente para converter cristais em vidro, apresentando uma solução altamente eficiente para dispositivos que utilizam PCM.
PCM atualmente depende de um processo altamente intensivo em energia, que envolve aquecer cristais acima de 800 °C com lasers ou pulsos elétricos, seguido de resfriamento rápido. O estudo, conduzido por pesquisadores do IISc, UPenn e MIT, revelou que o selênio de índio permite a transição de sólido para vidro através de “auto‑choques” internos, eliminando a necessidade de altas temperaturas.
O que acontece aqui é que, quando uma corrente elétrica é aplicada à estrutura fina e em camadas do selênio de índio, as camadas deslizam em direções diferentes, criando áreas onde os átomos se alinham em padrões específicos separados por limites, que funcionam como placas tectônicas, e quando colidem, produzem pequenos choques mecânicos e elétricos.
Cada um desses choques perturba a estrutura cristalina, criando, por sua vez, pequenas manchas que se transformam em vidro, as quais acabam se espalhando por todo o material.
“A pesquisa em PCM havia desacelerado devido ao desafio de encontrar materiais adequados. Mas agora, a estrutura 2D e as propriedades únicas do selênio de índio convergiram para criar essa via de ultra‑baixa energia para a amorfização via choques”, disse o co‑autor Pavan Nukala, que acrescentou que “estamos avançando para integrar esses dispositivos em plataformas CMOS”.
Transformações Estruturais Dramáticas Induzidas por Pressão
No estudo mais recente, o material fabricado é chamado β‑ZnTe(en)₀.₅ e é composto por camadas alternadas de telureto de zinco.
Além das camadas alternadas de ZnTe com duas monocamadas de espessura, a equipe utilizou etilenodiamina (en=C2N2H8) como a molécula orgânica. É um composto usado como bloco de construção para a produção de produtos químicos. Como sensibilizador de contato, é capaz de produzir reações tanto locais quanto generalizadas.
Comparando a estrutura do material a um sanduíche, o co‑autor do estudo Matt McCluskey, professor de física na WSU, observou:
“Imagine camadas de cerâmica e plástico empilhadas repetidamente. Quando você aplica pressão, as partes macias colapsam mais do que as rígidas.”
Para aplicar a pressão, eles usaram uma célula de bigorna de diamante (DAC), um dispositivo de alta pressão usado em experimentos de ciência dos materiais e engenharia para estudar materiais sob condições extremas. A DAC permite que uma amostra minúscula seja comprimida a pressões extremas.
Assim, a equipe usou a DAC para aplicar pressão extrema e então observou as mudanças no material usando o sistema de raios X.
O sistema de difração de raios X (XRD) foi, na verdade, o que tornou a pesquisa possível, tendo sido adquirido há alguns anos por mais de US$ 1 milhão com a ajuda da Murdock Charitable Trust.
XRD é uma técnica de laboratório que usa raios X para revelar informações estruturais, como a estrutura cristalina e a composição química dos materiais. Esse método poderoso permitiu que os pesquisadores observassem pequenas mudanças estruturais no material à medida que ocorriam.
Embora esse tipo de experimento geralmente ocorra em instalações nacionais como o Advanced Light Source no Laboratório Nacional de Berkeley, na Califórnia, exigindo muito tempo, graças ao equipamento especializado, os pesquisadores puderam fazer tudo diretamente no campus de Pullman da WSU, e isso o torna “ainda mais empolgante”.
“Ser capaz de fazer esses experimentos de alta pressão no campus nos deu a flexibilidade de realmente aprofundar o que estava acontecendo. Descobrimos que o material não apenas se comprimiu — ele realmente mudou sua estrutura interna de forma significativa.”
– McCluskey
A observação revelou que o material passou por duas mudanças de fase em baixas pressões de 2,1 e 3,3 gigapascais (GPa). A mudança na estrutura do material foi dramática em ambos os casos, apresentando uma contração de até 8%.
As mudanças observadas no XRD foram então verificadas com espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), uma técnica usada para obter um espectro infravermelho de emissão ou absorção de um sólido, líquido ou gás. Ela também demonstrou alterações nos modos vibracionais em ambas as pressões de transição de fase.
Aplicações Futuras Potenciais
Uma transição de fase de um material refere‑se a mudanças em sua estrutura ao nível atômico como resultado de alterações nas condições externas, como pressão ou temperatura. Neste estudo, as mudanças ocorreram entre dois estados sólidos, onde os átomos se reorganizaram em uma configuração mais densa.
Essas transições podem mudar significativamente certas propriedades dos materiais, como a forma como emitem luz ou conduzem eletricidade.
Com diferentes fases estruturais geralmente apresentando características ópticas e elétricas distintas, acredita‑se que sejam úteis para codificar informações digitais, que é a base da memória de mudança de fase.
As transições para β‑ZnTe(en)₀.₅, de acordo com o estudo, ocorreram a pressões consideravelmente mais baixas do que a mudança de fase mais baixa já relatada para telureto de zinco puro.
“A maioria dos materiais como este precisa de enormes quantidades de pressão para mudar a estrutura, mas este começou a se transformar com um décimo da pressão que normalmente vemos no telureto de zinco puro. Isso é o que torna este material tão interessante — ele mostra grandes efeitos a pressões muito menores.”
Mas isso não é tudo. Os achados do estudo sugerem uma alta resposta anisotrópica à pressão do material, o que significa que a propriedade varia em magnitude em diferentes direções, com a camada orgânica sendo altamente reativa às mudanças de pressão.
Combinar a sensibilidade direcional, onde a direção em que o material é comprimido altera seu comportamento, com a estrutura em camadas torna o material ainda mais ajustável, abrindo caminho para casos adicionais como fotônica, onde a luz é usada para mover e armazenar informações.
O material realmente emite luz ultravioleta, e os pesquisadores acreditam que seu brilho também pode mudar dependendo de sua fase. Essa capacidade pode tornar o β‑ZnTe(en)₀.₅ útil em fibras ópticas ou computação óptica.
Embora demonstre enorme potencial como material de memória comercial, o β‑ZnTe(en)₀.₅ ainda está em estágio muito inicial de desenvolvimento, como afirma Miller:
“Estamos apenas começando a entender o que esses materiais híbridos podem fazer.”
O próximo passo da equipe no estudo é aprender como o material responde a mudanças de temperatura e então investigar o que acontece quando calor e pressão são aplicados simultaneamente ao material. Dessa forma, os pesquisadores construirão um mapa mais completo dos comportamentos e possibilidades do β‑ZnTe(en)₀.
Investindo em Semicondutores
No mundo dos semicondutores, a capitalização de mercado de US$ 2,8 trilhão da NVIDIA Corporation (NVDA ) é a maior, dominando as tecnologias de IA e GPU. Outros players proeminentes no campo incluem a fabricante de chips legado de US$ 90 bi da Intel Corporation (INTC ), que está se expandindo para IA e memória avançada e a Advanced Micro Devices de US$ 160 bi (AMD ), que explora tecnologias emergentes de semicondutores.
Mas hoje, vamos analisar mais a fundo a Micron (MU ), que se especializa em memória e armazenamento, incluindo memória de mudança de fase (PCM). Com a memória e o armazenamento se tornando gargalos na computação moderna, a Micron se destaca como uma das poucas empresas que enfrentam esse desafio de frente. E à medida que a demanda aumenta de IA, infraestrutura de nuvem e dispositivos de borda, a liderança da Micron tanto em DRAM quanto em NAND, juntamente com seu trabalho em tecnologias de próxima geração como a memória de mudança de fase, a torna um player crítico a ser observado no setor de semicondutores.
Micron Technology (MU )
O fornecedor de soluções de memória e armazenamento oferece um portfólio de produtos DRAM, NAND e NOR de alto desempenho.
Ela opera por meio da Unidade de Negócios de Computação e Rede (CNBU), que fornece soluções para mercados de data center, gráficos, PC e redes, da Unidade de Negócios Móvel (MBU), que atende aos mercados de smartphones e outros dispositivos móveis, da Unidade de Negócios Embarcada (EBU), que serve aos mercados industrial, automotivo e de consumo embarcado, e da Unidade de Negócios de Armazenamento (SBU), que inclui SSDs e soluções de armazenamento em nível de componente.
A empresa é a primeira a enviar globalmente soluções de memória HBM3E e SOCAMM para servidores de IA em colaboração com a NVIDIA.
(MU )
A Micron tem uma capitalização de mercado de US$ 90,2 bi, com suas ações negociando a US$ 79,55, uma queda de cerca de 4 % no ano. Seu EPS (TTM) é 4,14, o P/E (TTM) é 19,51, e o rendimento de dividendos oferecido é de apenas 0,57 %.
Em março, a empresa anunciou os resultados financeiros do seu Q2 do exercício fiscal de 2025, que terminou em 27 de fevereiro de 2025, revelando uma receita de US$ 8,05 bilhões, queda em relação aos US$ 8,71 bilhões do trimestre anterior, mas aumento em relação aos US$ 5,82 bilhões do mesmo período do ano passado.
O lucro líquido GAAP foi de US$ 1,58 bilhão, ou US$ 1,41 por ação diluída, enquanto o lucro líquido Non‑GAAP foi de US$ 1,78 bilhão, ou US$ 1,56 por ação diluída. O fluxo de caixa operacional do período foi de US$ 3,94 bilhões.
“A Micron entregou EPS do Q2 fiscal acima da orientação e a receita de data center triplicou em relação ao ano passado”, disse o CEO Sanjay Mehrotra, que destacou o lançamento do nó de DRAM 1‑gama, ampliando a liderança tecnológica da empresa. No Q3, a Micron espera alcançar “receita trimestral recorde… com o crescimento da demanda por DRAM e NAND tanto em data centers quanto em mercados voltados ao consumidor.”
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Conclusão
Como a espinha dorsal da eletrônica moderna, os semicondutores são críticos para os avanços tecnológicos. É por meio da inovação na tecnologia de semicondutores que surgiram produtos novos e melhores, bem como breakthroughs em tudo, desde smartphones até sistemas de IA.
Nesse contexto, a nova pesquisa marca uma mudança significativa ao ir além das arquiteturas tradicionais baseadas em silício para híbridos orgânico‑inorgânicos em camadas. A descoberta da capacidade única do material de sofrer transições de fase em baixas pressões com tunabilidade estrutural introduz uma nova fronteira para materiais em optoeletrônica e torna o β‑ZnTe(en)₀.₅ um candidato promissor para tecnologias de memória de alta performance e eficiência energética.
Explorações adicionais sob diferentes condições térmicas podem até abrir aplicações completamente novas para o material em computação óptica, fibras ópticas e armazenamento de dados de baixo consumo, marcando um capítulo empolgante na revolução contínua dos semicondutores.
Clique aqui para uma lista das principais ações de equipamentos de semicondutores.
Estudos Referenciados:
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
