Vapor‑deponerede perovskitter driver næste generations halvledere

Elektronik har i høj grad påvirket det moderne samfund, ikke kun telekommunikation og underholdning, men også uddannelse, sundhedspleje, transport, fremstilling, databehandling og sikkerhed.

En kritisk komponent i elektriske enheder er en halvleder, også kendt som en chip. En halvleder er et materiale med nogle af egenskaberne fra både isolatorer og ledere. Det kan modificeres for at opfylde de specifikke behov i den elektroniske komponent, hvori det befinder sig. Dens funktioner omfatter forstærkning af signaler, switching og energikonvertering.

Halvlederindustrien fokuserer på at udvikle mindre, hurtigere og billigere produkter og udforsker konstant nye materialer for at nå disse mål og fremme næste generation af elektroniske enheder.

Udforskning af ikke-giftige tin (Sn)-baserede perovskitter til halvledere

Blandt de nye halvledere har metalhalid-perovskitten fået opmærksomhed takket være sine fremragende ladningstransportegenskaber og billig, stor‑areal deponering ved lave temperaturer.

Metalhalider er forbindelser, der dannes, når metal- og halogen‑elementer kombineres. Eksempler inkluderer natriumchlorid, som er salt, og uranhexafluorid, som er brændstoffet, der anvendes i nukleare reaktorer.

Perovskitter er en klasse af materialer med en ABO3 krystalstruktur. Her er A et sjældent jordartselement, mens B er et overgangsmetal. Disse materialer fremstilles ved termisk nedbrydning af acetater, nitrater og carbonater ved høje temperaturer mellem 600 og 900 grader Celsius.

Blandt metalhalid-perovskitter er de ikke-giftige tin (Sn)-baserede kandidater med deres unikke krystalstruktur fremkommet som lovende muligheder. Tin‑baserede halvledere er meget ønskværdige materialer til energianvendelser på grund af deres lave toksicitet og biokompatibilitet.

En undersøgelse¹ udført af forskere fra Iowa State University fokuserede på tin‑baserede chalcohalider, som undersøges som halvledere til flere anvendelser. De har faktisk fremragende optoelektroniske egenskaber, udviser iboende høj stabilitet og høj konverteringseffektivitet.

Undersøgelsen fokuserede på udviklingen af multinary tin‑chalcohalid‑halvledere ved hjælp af en alsidig opløsningsfase‑metode som blyfri alternativer til optoelektroniske anvendelser. Den bekræftede, at tin‑chalcohalider udviser bemærkelsesværdig vandstabilitet under normale forhold og fremragende varmebestandighed over tid sammenlignet med halid‑perovskitter. Med dette arbejde har målet været at hjælpe med at designe mere stabile og biokompatible halvledere og enheder.

Højtydende P‑kanal TFT’er for hastighed og effektivitet

Når det gælder ikke-giftige tin (Sn)-baserede cTin (Sn2+)-halid‑perovskitter, såsom cesium tin triiodid (CsSnI3), formamidinium tin triiodid (FASnI3) og methylammonium tin triiodid (MASnI3), viser de potentiale i udviklingen af højtydende p‑kanal tyndfilm‑transistorer (TFT’er).

TFT’er anvendes hyppigst i væskekrystal‑display (LCD) og er drivkraften bag flad‑panel‑skærme på smartphones, tablets, laptops, stationære computere og HD‑TV’er.

Når vi bruger vores enheder, opererer tusindvis af mikroskopiske komponenter, også kaldet transistorer, utrætteligt bag kulisserne, regulerer elektriske strømme for at vise billeder og sikre en glat drift.

Transistorer kategoriseres nu som n‑type (elektrontransport) og p‑type (hullestrøm). n‑type enheder viser generelt overlegen ydeevne. Men hvis vi ønsker højhastigheds‑computing med lavt energiforbrug, skal p‑type transistorer også opnå sammenlignelig effektivitet.

Derfor er fokus på højtydende p‑kanal tyndfilm‑transistorer. For at producere TFT’er deponeres typisk en halvleder som silicium eller metaloxider samt et dielektrisk lag, normalt af uorganiske materialer, på et ikke‑ledende substrat som glas eller plast.

Hvis vi nu ønsker at bruge perovskitter som kanal‑lag, dvs. halvledermateriale, i tyndfilm‑transistor‑applikationer, skal vi justere deres ekstreme hull‑koncentration. Vi skal også kontrollere krystallisationsprocessen for at forlænge spredningstiden.

For at regulere nukleation og krystallisation af Sn2+-halid‑perovskit‑prækurser anvendes sammensætnings‑ingeniørmetoder. De gør det muligt for TFT’er at opnå høje hull‑felt‑effekt‑mobiliteter på niveau med lavtemperatur‑polykristallinske enheder, som primært anvendes i sol‑fotovoltaik‑ og elektronikindustrien.

Den primære deponeringsteknik, der anvendes til Sn2+-halid‑perovskit‑tyndfilm, er opløsnings‑behandling, som svarer til at suge blæk ind i papir. Denne teknik muliggør hurtige optimeringsforsøg omkostningseffektivt.

Denne hurtige fremgang i laboratoriet samt udsigterne til fremtidig lav‑omkostnings‑, høj‑gennemløbs‑fremstilling er grunden til, at størstedelen af forskningen omkring brugen af halid‑perovskit‑materialer i optoelektronik primært er centreret omkring opløsnings‑baserede deponeringsteknikker.

I den virkelige verden er dette dog slet ikke tilfældet. Det skyldes, at overførslen af teknikken fra laboratoriet til et industrielt miljø er udfordrende. Når den implementeres i en opto‑elektronisk industriel produktionskæde, kæmper selv de mest erfarne med at opnå tilstrækkelig produktionsudbytte og reproducerbarhed med denne metode.

Så selvom opløsnings‑behandlede tin (Sn2+)-halid‑perovskitter er levedygtige for p‑kanal TFT’er med ydeevne, der kan måle sig med kommercielle lavtemperatur‑polysilicium‑teknologier, opstår problemet ikke kun i konsistent kvalitet, men også i skalerbarhed og kommercialisering på grund af deres lave kompatibilitet med eksisterende fremstillingsprocesser for flad‑panel‑display og halvleder‑enheder.

Vapor‑baserede deponeringsteknikker tager føringen

Vapor‑deponering er dukket op som et alternativ til opløsnings‑baserede teknikker til fremstilling af tyndfilm‑transistorer (TFT’er).

Det er faktisk en populær og førende teknik til kommercialiseret tyndfilm‑elektronik på grund af dens enkelhed, fremragende præcision, fremragende filmkvalitet og kompatibilitet med konventionelle produktionsprocesser.

Tykkelsen og morfologien af den tynde film har faktisk en kritisk indvirkning på en enheds ydeevne, og vapor‑deponering muliggør præcis manipulation af dem.

Både fysisk damp‑deponering (PVD) og kemisk damp‑deponering (CVD) tilbyder fremragende kontrol over filmtykkelse, sammensætning og egenskaber.

På grund af begrænsningerne ved opløsnings‑baserede teknikker er vapor‑baserede deponeringsteknikker de mest anvendte i reelle industrielle miljøer, især i fremstilling af fotovoltaik. For eksempel bruger den førende PV‑solenergi‑leverandør First Solar (FSLR ) dampbehandling til at producere deres cadmium‑tellurid‑solceller. Et andet eksempel er Heliatek GmbH, som bruger termisk fordampning til deres kommercielle organiske fotovoltaiske produkter.

Men naturligvis er vapor‑baserede deponeringsteknikker ikke uden udfordringer. Dette inkluderer høje omkostninger, proceskompleksitet, begrænset gennemløb og begrænsninger på substratstørrelse og -form.

En undersøgelse fra sidste år introducerede en ny metode² kaldet kontinuerlig flash‑sublimering (CFS) for at overvinde begrænsningerne ved vapor‑deponering i produktionen af højkvalitets uorganiske halid‑perovskit‑film.

Deres CFS‑teknik muliggør hurtig og kontinuerlig deponering, reducerer fremstillingstiden og forbedrer filmens ensartethed, hvilket er afgørende for skalerbar produktion af perovskit‑baserede enheder.

Ifølge undersøgelsesresultaterne førte brug af film fremstillet via CFS i praktiske solceller til en ydeevne, der ikke kun var på niveau med opløsnings‑deponerede film, men også overlegen i forhold til tidligere rapporterede vapor‑deponerede helt uorganiske perovskit‑enheder.

Forskningen rapporterede en konverteringseffektivitet på 15 %, hvilket giver de “mest effektive vapor‑behandlede solceller, der anvender en uorganisk halid‑perovskit‑absorber”, samtidig med at den løser udfordringerne ved vapor‑behandlede perovskit‑solceller, herunder for lange behandlingstider og manglen på kontinuerlig deponering, som begge hindrer hurtig anvendelse af vapor‑baserede tilgange i industriel skala.

Revolutionerende af halvledere med damp‑vaporiserede CsSnI3‑lag

Krystallisationsprocesserne ved vapor‑deponering involverer langsomme faste reaktioner, i modsætning til hurtige ioniske reaktioner i opløsnings‑behandling.

Dette gør det udfordrende at opnå højkvalitets‑, høj‑mobilitets‑Sn2+-perovskit‑kanaler med passende hull‑densitet gennem vapor‑deponering.

For at overvinde begrænsningerne har et forskerteam ledet af Dr. Youjin Reo og professor Yong‑Young Noh fra afdelingen for kemisk ingeniørvidenskab ved Pohang University of Science and Technology (POSTECH) udviklet en banebrydende teknologi.

Teamet anvendte en termisk fordampningsmetode med CsSnI3 (uorganisk cesium‑tin‑iodid) til at fremstille p‑kanal Sn2+-halid‑perovskit‑TFT’er, som viser potentiale i at revolutionere næste generations displays og elektroniske enheder.

Undersøgelsen, som blev udført i samarbejde med professorerne Huihui Zhu og Ao Liu fra University of Electronic Science and Technology of China (UESTC), blev offentliggjort i Nature Electronics³ og modtog støtte fra den koreanske regering, National Natural Science Foundation of China og Samsung Display Corporation.

Teamet anvendte med succes termisk fordampning, som er bredt anvendt til fremstilling af halvleder‑chips og OLED‑TV’er, til at producere højkvalitets‑CsSnI3‑halvlederlag.

Under denne metode fordamper materialerne ved høje temperaturer for at skabe tynde film på et substrat.

Ud over at vapor‑deponere uorganiske CsSnI3‑baserede p‑kanal TFT’er brugte teamet blychlorid (PbCl2) som tilsætningsstof. Ved blot at tilsætte en lille mængde PbCl2 forbedrede de filmens ensartethed og krystallinitet.

Måden det virkede på var, at flygtigt chlorid blev brugt som reaktionsinitiator, hvilket forårsagede fast‑stof‑reaktioner af de damp‑deponerede perovskit‑forbindelser, som førte til fuldstændig perovskit‑fase‑dannelse. Dette fremmede tæt pakkede, forstørrede korn i en kaskade‑lignende proces.

Ud over at lette dannelsen af ensartede, højkvalitets‑perovskit‑film, justerer den også den høje hull‑densitet, så de er egnet som kanal‑lag.

De optimerede TFT’er fra undersøgelsen (CsSnI3:PbCl2 TFT’er) viste langtidsholdbarhed (over 150 dage) og fremragende ydeevne, med en hull‑mobilitet på mere end 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ og et tænd/sluk‑strømningsforhold (Ion/Ioff) på over 10⁸. Denne ydeevne var sammenlignelig med de nu kommercialiserede n‑type oxid‑halvledere, hvilket indikerer hurtig signalbehandling og lavt energiforbrug under switching.

Desuden fremstillede teamet et stor‑skala, ensartet Sn2+-halid‑perovskit‑TFT‑array. Med denne præstation, sammen med forbedret enheds‑stabilitet, overvinder innovationen fra POSTECH i samarbejde med UESTC‑forskerne effektivt de store tekniske begrænsninger ved opløsnings‑baserede metoder.

Bemærkelsesværdigt, da den er kompatibel med eksisterende fremstillingsværktøjer, der anvendes i OLED‑display‑produktion, har teknologien betydeligt potentiale til at reducere omkostninger og strømline fremstillingsprocesserne.

Ifølge undersøgelsen har de vapor‑deponerede TFT’er potentiale til at blive brugt i back‑planes til organiske lys‑udsendende diode‑display (OLED) eller i logiske enheder og kredsløb til monolitisk 3D‑integration, som kræver lave proces‑temperaturer.

“Denne teknologi åbner spændende muligheder for kommercialisering af ultratynde, fleksible og høj‑opløsnings‑display i smartphones, TV’er, lodret stablede integrerede kredsløb og endda bærbar elektronik på grund af den lave behandlings‑temperatur under 300 °C.”

– Professor Yong-Young Noh

Efterhånden som gennembrud i halvledermaterialer fortsætter, lad os nu se på en stor investerbar aktør i branchen.

Klik her for at finde ud af, om grafen‑halvledere endelig er her.

Investering i halvledere

I halvlederverdenen er Intel (INTC ) en af de største virksomheder, og den er stærkt investeret i udviklingen af avancerede chip‑teknologier. Efterhånden som industrien skifter mod mindre, mere effektive transistorer, er innovationer som vapor‑deponerede perovskitter af stor interesse for Intel, som søger alternativer til silicium i specifikke anvendelser.

For ikke at nævne, Intel arbejder konstant på at integrere nye materialer i chip‑design for at forbedre ydeevne og den overordnede chip‑arkitektur.

Intel Corporation (INTC )

Virksomheden opererer gennem tre segmenter. Intel Products omfatter Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) og Client Computing Group (CCG). Intel Foundry-segmentet er et andet, mens All Other-segmenterne dækker Altera, Mobileye og andre.

USA’s største chipproducent har store PC‑producenter som Dell, Lenovo og HP som kunder. Den fremstiller også avancerede chips til det amerikanske forsvarsministerium. Derudover har Intel sikret partnerskaber med virksomheder som Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP og Amazon.

Intel har en markedsværdi på 91,23 milliarder dollars, og aktierne handles i øjeblikket til 20,93 $, en stigning på 4,6 % i år indtil nu. Dens EPS (TTM) er -4,48, og P/E (TTM) er -4,68, men der tilbydes ingen udbytteafkast til aktionærerne.

Selvom INTC’s præstation er blevet positiv i år, er aktiekurserne stadig langt fra 2021‑toppen på næsten 67,5 $. 2023 var et godt år for Intel‑aktier. Men sidste år var svært, da priserne faldt under 19 $, og i år har usikkerhed forårsaget af told og en potentiel handelskrig påvirket det brede aktiemarked.

“Det nuværende makro‑miljø skaber øget usikkerhed på tværs af industrien,” bemærkede CFO David Zinsner. Mens virksomheden tager en “disciplineret og forsigtig tilgang” i en samtale med analytikere, påpegede Zinsner, at handels‑politikker og regulatoriske risici “har øget chancen for en økonomisk afmatning, med sandsynligheden for en recession, der vokser.”

Nogle positive nyheder kan dog ses i Trumps administrationens forberedelse på at ophæve USA’s chip‑eksportrestriktioner kendt som ‘AI‑diffusions‑reglen’. Dette vil afslutte et sæt begrænsninger, der blev pålagt halvlederproducenter af Biden‑administrationen og som skulle træde i kraft den 15. maj.

Ifølge denne regel er lande organiseret i tre forskellige niveauer, og alle er begrænset med hensyn til, om avancerede AI‑chips som dem, der fremstilles af Intel og Nvidia (NVDA ), kan sendes til landet uden en licens.

“Biden‑AI‑reglen er alt for kompleks, alt for bureaukratisk og vil kvæle amerikansk innovation. Vi vil erstatte den med en meget enklere regel, der frigør amerikansk innovation og sikrer amerikansk AI‑dominans.”

– Department of Commerce spokesperson

Hvad Intel‑finanser angår, så viste Q1 2025 flad år‑til‑år‑vækst, da omsætningen var 12,7 milliarder dollars, mens indtjening (tab) pr. aktie (EPS) var -0,19 $ og non‑GAAP EPS var 0,13 $. Dette kommer efter en omsætning på 53,1 milliarder dollars i hele 2024, hvilket var et fald på 2 % år‑til‑år, mens EPS var -4,38 $ og non‑GAAP EPS var -0,13 $.

Nedgangen forventes at fortsætte i næste kvartal, med Intel der forudser en omsætning mellem 11,2 milliarder og 12,4 milliarder dollars. Dog har virksomheden annonceret planer om at skære udgifterne ned i det kommende år, den første under CEO Lip‑Bu Tan. Dens driftsomkostninger i 2025 forventes at være 17 milliarder dollars, og i 2026 forventes de at være 16 milliarder dollars.

“Det første kvartal var et skridt i den rigtige retning, men der er ingen hurtige løsninger, mens vi arbejder på at komme tilbage på en vej mod at vinde markedsandele og drive bæredygtig vækst,” sagde Tan, som har investert i hundredvis af kinesiske teknologivirksomheder. Under ham tager virksomheden “hurtige handlinger for at drive bedre udførelse og operationel effektivitet, mens vi giver vores ingeniører mulighed for at skabe fremragende produkter.”

Så Intel navigerer tydeligt i en udfordrende periode. Ud over faldende omsætning og utilfredsstillende markedsprestation mister virksomheden markedsandele, og dens investeringer i foundry‑forretningen har endnu ikke givet betydelige resultater. Intel har også haft udførelses‑fejl ved lancering af nye produkter.

Men aggressiv omstrukturering under den nye ledelse, som kan medføre afskedigelser, spekulationer om en spinoff eller salg af en andel i Foundry‑operationen til TSMC, og potentialet for at genvinde sin ledelse med Intel 18A, som allerede har sikret Microsoft‑støtte og også bliver overvejet af Nvidia og Google, kan hjælpe Intel med at gøre et meningsfuldt comeback, selvom udførelsen vil være kritisk her.

Seneste om Intel Corporation

Konklusion

Halvledere er grundlaget for moderne elektronik. Og med efterspørgslen efter billigere, hurtigere og mindre enheder er materialinnovation blevet vigtigere end nogensinde.

I denne kontekst viser gennembruddet opnået af den seneste undersøgelse et enormt potentiale til at forstyrre konventionelle tyndfilm‑transistor‑teknologier. Fremskridt inden for vapor‑deponerede Sn2+-halid‑perovskit‑TFT’er har forbedret termisk stabilitet og kompatibilitet med eksisterende OLED‑fremstillingsmetoder, hvilket fremhæver en lovende fremtid for integration af perovskit‑baserede halvledere i fleksible og 3D‑elektronik.

Gennem sådanne fortsatte innovationer bevæger vi os mod en fremtid med yderst kompakte, energieffektive og fleksible smarte enheder.

Klik her for en liste over de bedste aktier inden for halvleder‑udstyr.

Studier refereret:

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa‑Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Blyfri halvledere: Faseudvikling og overlegen stabilitet af multinary tin‑chalcohalider. Chemistry of Materials, 36(9), 4542–4552. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c00209

2. Abzieher, T., Muzzillo, C. P., Mirzokarimov, M., Lahti, G., Kau, W. F., Kroupa, D. M., Cira, S. G., Hillhouse, H. W., Kirmani, A. R., Schall, J., Kern, D., Luther, J. M., & Moore, D. T. (2024). Kontinuerlig flash‑sublimering af uorganiske halid‑perovskitter: Overvindelse af hastigheds‑ og kontinuitetsbegrænsninger ved vapor‑deponering. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). Vapor‑deponerede højtydende tin‑perovskit‑transistorer. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8