Lagerbaserade halvledare kan vara nästa språng i minneslagring

Halvledare är de grundläggande byggstenarna i nästan all modern elektronik och driver allt från smartphones och datorer till elfordon, AI‑system och industriell utrustning. 

De är kärnteknologin bakom integrerade kretsar (IC), även kända som chip, vilket möjliggör skapandet av snabbare, mindre och mer effektiva enheter. 

När det gäller vad halvledare är, så är de material med elektrisk ledningsförmåga som ligger mellan ledare och isolatorer. Kisel (Si), germanium (Ge) och galliumarsenid (GaAs) är några exempel.

De tillåter elektriska strömmar att passera beroende på faktorer som omgivningstemperatur eller det magnetiska fält de utsätts för. Halvledarnas ledningsförmåga kan justeras genom en process som kallas dopning, där föroreningar tillsätts. 

Förutom att vara grunden för IC:s omfattar halvledarnas tillämpningar transistorer, som används för omkoppling och förstärkning i elektroniska kretsar. Halvledare används också i solpaneler för att omvandla solljus till elektricitet samt dioder som tillåter ström att flöda i en riktning. 

Skiftet mot lagerbaserade halvledararkitekturer

Allt eftersom halvledare fortsätter att utvecklas får organiskt‑oinorganiska hybridhalvledare mycket intresse på grund av deras höga solcellseffektivitet och tillämpningar för lysdioder (LED). De kombinerar flexibiliteten och kostnadseffektiviteten hos organiska material med de elektroniska egenskaperna hos oorganiska material i ett enda material. 

Dessa lagerbaserade halvledare, med en struktur av distinkta lager av organiska och oorganiska komponenter som kan arrangeras för unika egenskaper och funktioner, utgör nästa generations material för användning i högpresterande optoelektroniska enheter.

Inom området lagerbaserade halvledare demonstrerade forskare vid Australian National University för några år sedan en ny ‘sandwich‑stil’ tillverkningsprocess för att uppnå ultra‑låg energielektronik baserad på ljus‑materia hybridpartiklar, exciton‑polaritoner.

Här placerades ett en‑atoms‑tunt halvledarmaterial mellan två speglar som visade robust, förlusterfri, långdistanspropagation av en exciton (en elektron bunden till ett hål) blandad med ljus som studsar mellan parallella speglar.

‘Sandwich‑stil’ tillverkningsprocessen för högkvalitativ optisk mikrokavitet minimerade skador på det atomtunna halvledarmaterialet samtidigt som den maximerade interaktionen mellan excitonerna och fotonerna.

Det atomtunna materialet var dock inte det viktiga här; snarare var nyckeln konstruktionen av mikrokaviteten. Den byggdes genom att stapla komponenterna en efter en med den nedre spegeln först, sedan ett halvledarlager och slutligen en spegel högst upp. Den övre strukturen tillverkades dock separat för att undvika skador på det atomtunna halvledarmaterialet och bevara excitonernas egenskaper.

Medan denna studie fokuserade på ljus‑materia interaktioner i ultratunna halvledare, driver andra forskargrupper hybridmaterial i riktning mot minneslagring.

Hybrid ZnTe‑halvledare avslöjar avancerade minneskapaciteter

Bland lagerbaserade halvledare har β‑ZnTe(en)₀.₅, i synnerhet, fått särskild uppmärksamhet på grund av dess överlägsna strukturella ordning samt längre stabilitet än de flesta.

Här möjliggör införlivandet av det organiska materiallagret justerbara optiska egenskaper, modifieringar av bandstrukturen och en ökad excitonbindningsenergi. 

Så utvecklade forskare från Washington State University tillsammans med de från University of North Carolina at Charlotte kom på ett lagerbaserat material¹ som kan förändra sin form dramatiskt när det utsätts för tryck, vilket visar dess förmåga att hjälpa datorer att lagra mer data med mindre energi.

Materialet är baserat på hybridzinktellurid (ZnTe) som studien visade genomgick fantastiska strukturella förändringar när det pressades ihop.

Zinktellurid är ett halvledarmaterial med ett direkt bandgap på cirka 2,26 eV. Dess direkta bandgap möjliggör effektiv ljusemission och absorption, vilket gör ZnTe lämpligt för optoelektroniska tillämpningar inklusive solceller, fotodetektorer och LED samt i litiumjonbatterier, laserdioder, mikrovågsgeneratorer och högpresterande elektroniska enheter.

De strukturella förändringarna som det hybridbaserade ZnTe‑materialet genomgick i den senaste studien, som finansierades av USA:s energidepartement, gör det till en lovande kandidat för fasändringsminne (PCM).

PCM är en typ av icke‑flyktigt slumpmässigt åtkomstminne (RAM) som fungerar annorlunda än det minne som finns i våra enheter. Det är en ultrasnabb och långlivad datalagring som inte kräver en konstant strömkälla.

Denna minnestyp utnyttjar förändringarna i materialets fas, mellan amorfa och kristallina stadier. Denna fasändring påverkar materialets elektriska resistans, vilket möjliggör lagring och återhämtning av data.

Enligt studien, precis som In₂Se₃ (indium(III) selenid), som genomgår fasändringar vid måttliga tryck, kan flera faser av ZnTe(en)₀.₅ också utnyttjas i minnesenheter.

In₂Se₃ och indiumselenid (InSe) är lagerbaserade halvledarmaterial som uppvisar en mängd olika kristallstrukturer och faser.

En intressant studie från sent förra året upptäckte faktiskt en energieffektiv metod för att omvandla kristaller till glas, vilket presenterar en mycket effektiv lösning för enheter som använder PCM.

PCM är för närvarande beroende av en mycket energikrävande process, som innebär att värma kristaller över 800 °C med laser eller elektriska pulser följt av snabb kylning. Studien, utförd av forskare från IISc, UPenn och MIT, avslöjade att indiumselenid möjliggör övergången från fast till glas genom interna ”självchocker”, så höga temperaturer behövs inte.

Det som händer här är att när en elektrisk ström appliceras på den tunna, lagerbaserade strukturen av indiumselenid, glider lagren i olika riktningar och skapar områden där atomerna aligneras i specifika mönster separerade av gränser, som fungerar som tektoniska plattor, och när de kolliderar produceras små mekaniska och elektriska chocker.

Varje av dessa chocker stör kristallstrukturen och skapar i sin tur små fläckar som omvandlas till glas, vilket så småningom sprider sig över hela materialet.

“PCM‑forskning hade avstannat på grund av svårigheten att hitta lämpliga material. Men nu har den tvådimensionella strukturen och de unika egenskaperna hos indiumselenid konvergerat för att skapa denna ultra‑lågenergi‑väg för amorfisation via chocker,” sade medförfattare Pavan Nukala, som tillade att de “arbetar för att integrera dessa enheter på CMOS‑plattformar”.

Klicka här för att lära dig om organiska halvledare kombinerar fördelarna med grafen & silicon.

Dramatiska tryckinducerade strukturella transformationer

I den senaste studien kallas det framställda materialet β‑ZnTe(en)₀.₅ och det består av alternerande lager av zinktellurid.

Förutom alternerande lager av två monolager tjocka ZnTe använde teamet etylendiamin (en=C2N2H8) som den organiska molekylen. Det är en förening som används som byggsten för produktion av kemiska produkter. Som kontaktsensitizer kan den producera både lokala och generaliserade reaktioner.

När man jämför materialets struktur med en smörgås, noterade studiens medförfattare Matt McCluskey, som är professor i fysik vid WSU, följande:

“Föreställ dig lager av keramik och plast staplade över och över. När du applicerar tryck kollapsar de mjuka delarna mer än de styva.”

För att applicera trycket använde de en diamantanhydellcell (DAC), en högtrycksapparat som används i materialvetenskapliga och ingenjörsexperiment för att studera material under extrema förhållanden. DAC möjliggör att ett litet prov pressas till extrema tryck.

Så använde teamet DAC för att applicera extremt tryck och observerade sedan förändringarna i materialet med hjälp av röntgensystemet. 

Röntgendiffraktionssystemet (XRD) var faktiskt det som gjorde forskningen möjlig, vilket införskaffades för några år sedan för över 1 miljon dollar med hjälp av Murdock Charitable Trust.

XRD är en laboratorieteknik som använder röntgenstrålar för att avslöja strukturell information såsom kristallstruktur och kemisk sammansättning av material. Denna kraftfulla metod gjorde det möjligt för forskare att observera små strukturella förändringar i materialet i realtid.

Medan den här typen av experiment vanligtvis sker vid nationella anläggningar som Advanced Light Source vid Berkeley National Laboratory i Kalifornien, vilket kräver mycket tid, gjorde den specialiserade utrustningen det möjligt för forskarna att genomföra allt på WSU:s campus i Pullman, och det är vad som gör det “så mycket mer spännande”.

“Att kunna utföra dessa högtrycksexperiment på campus gav oss flexibiliteten att verkligen gräva djupare i vad som hände. Vi upptäckte att materialet inte bara komprimerades – det förändrade faktiskt sin interna struktur på ett betydande sätt.”

– McCluskey

Observationen visade att materialet genomgick två fasändringar vid låga tryck på 2,1 och 3,3 gigapascal (GPa). Strukturförändringen i materialet var dramatisk i båda fallen, med en krympning på upp till 8 %.

De förändringar som observerades med XRD verifierades sedan med Fouriertransform‑infraröd (FTIR) spektroskopi, en teknik som används för att erhålla ett infrarött spektrum av emission eller absorption från en fast, flytande eller gasformig substans. Den visade också förändringar i de vibrerande modulerna vid båda fasövergångstrycken.

Potentiella framtida tillämpningar

En fasövergång i ett material avser förändringar i dess struktur på atomnivå som ett resultat av förändrade yttre förhållanden som tryck eller temperatur. I denna studie inträffade förändringarna mellan två fasta tillstånd, där atomerna omarrangerades till en tätare konfiguration. 

Sådana övergångar kan avsevärt förändra vissa egenskaper hos materialen, såsom hur de avger ljus eller leder elektricitet. 

Eftersom olika strukturella faser generellt har olika optiska och elektriska egenskaper, anses de vara användbara för att koda digital information, vilket är grunden för fasändringsminnet.

Övergångarna för β‑ZnTe(en)₀.₅, enligt studien, inträffade vid tryck som är avsevärt lägre än den lägsta rapporterade fasändringen för ren zinktellurid.

Enligt Miller:

“De flesta material av den här sorten kräver enorma mängder tryck för att förändra strukturen, men detta började transformeras vid en tiondel av det tryck vi vanligtvis ser i ren zinktellurid. Det är vad som gör detta material så intressant – det visar stora effekter vid mycket lägre tryck.”

Men det är inte allt. Studiens resultat tyder på ett starkt anisotropiskt tryckrespons hos materialet, vilket betyder att egenskapen varierar i storlek i olika riktningar, där det organiska lagret är mycket reaktivt på tryckförändringar.

Kominationen av den riktningskänsliga responsen, där den riktning materialet pressas i förändrar dess beteende, med den lagerbaserade strukturen gör materialet ännu mer justerbart, vilket öppnar dörren till ytterligare tillämpningar såsom fotonik, där ljus används för att flytta och lagra information.

Materialet avger faktiskt ultraviolett ljus, och forskare tror att dess glöd också kan skifta beroende på dess fas. Denna förmåga kan göra β‑ZnTe(en)₀.₅ användbart i fiberoptik eller optisk databehandling.

Medan materialet visar enorm potential som ett kommersiellt minnesmaterial, är β‑ZnTe(en)₀.₅ fortfarande i ett mycket tidigt utvecklingsstadium, enligt Miller:

“Vi är bara i början av att förstå vad dessa hybridmaterial kan göra.”

Teamets nästa steg i studien är att undersöka hur materialet svarar på temperaturförändringar och sedan undersöka vad som händer när både värme och tryck appliceras på materialet. På så sätt kommer forskarna att bygga en mer komplett karta över materialets β‑ZnTe(en)₀‑beteenden och möjligheter.

Investera i halvledare

I halvledarvärlden är det $2,8 biljoner stora marknadsvärdet NVIDIA Corporation (NVDA ) det största namnet, som dominerar AI‑ och GPU‑teknologier. Andra framstående aktörer inom området inkluderar den $90 miljarder stora legacy‑chipstillverkaren Intel Corporation (INTC ), som expanderar inom AI och avancerat minne, samt $160 miljarder Advanced Micro Devices (AMD ), som utforskar framväxande halvledarteknik.

Men idag kommer vi att titta närmare på Micron (MU ), som specialiserar sig på minne och lagring, inklusive fasändringsminne (PCM). Med minne och lagring som blir flaskhalsar i modern databehandling, sticker Micron ut som ett av de få företagen som tar sig an denna utmaning direkt. Och när efterfrågan ökar från AI, molninfrastruktur och edge‑enheter, gör Microns ledarskap inom både DRAM och NAND, tillsammans med deras arbete med nästa generations teknik som fasändringsminne, dem till en kritisk aktör att hålla ögonen på inom halvledarbranschen.

Micron Technology (MU )

Minnes‑ och lagringslösningsleverantören levererar en portfölj av högpresterande DRAM‑, NAND‑ och NOR‑produkter. 

Den verkar via Compute and Networking Business Unit (CNBU), som tillhandahåller lösningar för datacenter‑, grafik‑, PC‑ och nätverksmarknader, Mobile Business Unit (MBU) som betjänar smartphone‑ och andra mobila enhetsmarknader, Embedded Business Unit (EBU) som betjänar industriella, automotive och konsumentinbäddade marknader, samt Storage Business Unit (SBU) som inkluderar SSD:er och komponentnivå lagringslösningar.

Företaget är det första som levererar HBM3E‑ och SOCAMM‑minneslösningar globalt för AI‑servrar i samarbete med NVIDIA. 

Micron har ett marknadsvärde på 90,2 miljarder dollar med aktier som handlas till 79,55 dollar, ned cirka 4 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är 4,14, P/E (TTM) är 19,51 och utdelningsavkastningen är endast 0,57 %.

I mars meddelade företaget de finansiella resultaten för sitt Q2 av räkenskapsåret 2025, som avslutades den 27 februari, 2025, och avslöjade en omsättning på 8,05 miljarder dollar, ned från 8,71 miljarder dollar föregående kvartal men upp från 5,82 miljarder dollar samma period förra året.

GAAP nettoresultat var 1,58 miljarder dollar, eller 1,41 dollar per utspädd aktie medan Non‑GAAP nettoresultat var 1,78 miljarder dollar, eller 1,56 dollar per utspädd aktie. Operativt kassaflöde för perioden uppgick till 3,94 miljarder dollar.

“Micron levererade Q2 EPS över prognosen och datacenterintäkterna tredubblades jämfört med ett år sedan,” sade VD Sanjay Mehrotra som noterade lanseringen av 1‑gamma DRAM‑noden som utökar företagets teknologiska ledarskap. I Q3 förväntar sig Micron att nå “rekordkvartalsintäkter… med DRAM‑ och NAND‑efterfrågeökning både i datacenter‑ och konsumentorienterade marknader”.

Senaste om Micron Technology

Slutsats

Som ryggraden i modern elektronik är halvledare avgörande för teknologiska framsteg. Det är genom innovation inom halvledarteknik som nya och bättre produkter samt genombrott i allt från smartphones till AI‑system har uppstått.

Mot bakgrund markerar den nya forskningen ett stort skifte genom att gå bortom traditionella kiselbaserade arkitekturer till lagerbaserade organiskt‑oinorganiska hybrider. Upptäckten av materialets unika förmåga att genomgå fasövergångar vid låga tryck med strukturell justerbarhet introducerar en ny front för material inom optoelektronik och gör β‑ZnTe(en)₀.₅ till en lovande kandidat för energieffektiva, högpresterande minnesteknologier. 

Ytterligare utforskning under varierande termiska förhållanden kan till och med öppna helt nya tillämpningar för materialet inom optisk databehandling, fiberoptik och lågströmsdatlagring, vilket markerar ett spännande kapitel i den pågående halvledarrevolutionen.

Klicka här för en lista över de främsta halvledarutrustningsaktierna.

Studier refererade:

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