Dampfdestillierte Perowskite treiben die nächste Generation von Halbleitern an

Elektronik hat die moderne Gesellschaft stark beeinflusst, nicht nur Telekommunikation und Unterhaltung, sondern auch Bildung, Gesundheitswesen, Transport, Fertigung, Computertechnik und Sicherheit.

Ein kritischer Baustein in elektrischen Geräten ist ein Halbleiter, auch als Chip bezeichnet. Ein Halbleiter ist ein Material, das einige Eigenschaften sowohl von Isolatoren als auch von Leitern besitzt. Er kann modifiziert werden, um die spezifischen Anforderungen der elektronischen Komponente, in der er eingesetzt wird, zu erfüllen. Zu seinen Funktionen gehören Verstärkung von Signalen, Schalten und Energieumwandlung.

Die Halbleiterindustrie konzentriert sich darauf, kleinere, schnellere und günstigere Produkte zu entwickeln und erforscht ständig neue Materialien, um diese Ziele zu erreichen und die nächste Generation von elektronischen Geräten voranzutreiben.

Erkundung von nicht-toxischen Zinn (Sn)-basierten Perowskiten für Halbleiter

Unter den aufstrebenden Halbleitern hat das Metall-Halogen-Perowskit dank seiner hervorragenden Ladungstransporteigenschaften und der kostengünstigen, großflächigen Aufbringung bei niedrigen Temperaturen an Bedeutung gewonnen. 

Metallhalogenide sind Verbindungen, die entstehen, wenn Metall‑ und Halogenelemente zusammenkommen. Beispiele sind Natriumchlorid, also Salz, und Uranhexafluorid, der Brennstoff in Kernreaktoren. 

Perowskite sind eine Materialklasse mit einer ABO3‑Kristallstruktur. Hierbei ist A ein Seltenerd‑Element, während B ein Übergangsmetall ist. Diese Materialien werden durch thermische Zersetzung von Acetaten, Nitraten und Carbonaten bei hohen Temperaturen zwischen 600 °C und 900 °C hergestellt.

Unter den Metall‑Halogen‑Perowskiten haben die nicht‑toxischen, zinn‑basierten (Sn) Kandidaten mit ihrer einzigartigen Kristallstruktur großes Potenzial gezeigt. Zinn‑basierte Halbleiter sind wegen ihrer geringen Toxizität und Biokompatibilität besonders für Energieanwendungen begehrt.

Eine Studie¹ von Forschern der Iowa State University untersuchte zinn‑basierte Chalcohalide, die als Halbleiter für verschiedene Anwendungen erforscht werden. Sie weisen optoelektronische Eigenschaften, inhärent hohe Stabilität und eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz auf.

Die Studie konzentrierte sich auf die Entwicklung multinary‑Zinn‑Chalcohalid‑Halbleiter mittels einer vielseitigen Lösungsmethoden, als bleifreie Alternativen für optoelektronische Anwendungen. Sie bestätigte, dass die Zinn‑Chalcohalide bemerkenswerte Wasserstabilität unter Umgebungsbedingungen und ausgezeichnete Hitzebeständigkeit im Vergleich zu Halogen‑Perowskiten zeigen. Mit dieser Arbeit soll die Entwicklung stabilerer und biokompatibler Halbleiter und Geräte unterstützt werden.

Hochleistungs‑P‑Kanal‑TFTs für Geschwindigkeit & Effizienz

Bei nicht‑toxischen Zinn‑(Sn)‑basierten cTin (Sn2+)-Halogen‑Perowskiten wie Cäsium‑Zinn‑Triiodid (CsSnI3), Formamidinium‑Zinn‑Triiodid (FASnI3) und Methylammonium‑Zinn‑Triiodid (MASnI3) zeigt sich Potenzial für die Entwicklung hochleistungsfähiger P‑Kanal‑Dünnschicht‑Transistoren (TFTs).

TFTs werden am häufigsten in Flüssigkristall‑Displays (LCDs) eingesetzt und sind die treibende Kraft hinter Flachbildschirmen in Smartphones, Tablets, Laptops, Desktop‑Computern und HD‑Fernsehern.

Bei der Nutzung unserer Geräte arbeiten tausende mikroskopische Bauteile, also Transistoren, unermüdlich im Hintergrund, regulieren elektrische Ströme, um Bilder darzustellen und einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. 

Transistoren werden in n‑Typ (Elektronentransport) und p‑Typ (Löcher‑Transport) eingeteilt. n‑Typ‑Geräte zeigen in der Regel überlegene Leistungen. Wenn wir jedoch Hochgeschwindigkeits‑Computing bei geringem Stromverbrauch erreichen wollen, müssen p‑Typ‑Transistoren eine vergleichbare Effizienz erzielen.

Daher liegt der Fokus auf hochleistungsfähigen P‑Kanal‑Dünnschicht‑Transistoren. Zur Herstellung von TFTs wird üblicherweise ein Halbleitermaterial wie Silizium oder Metalloxide sowie eine Dielektrikschicht, meist aus anorganischen Materialien, auf ein nicht‑leitendes Substrat wie Glas oder Kunststoff aufgebracht.

Wenn wir die Perowskite als Kanal‑ bzw. Halbleiterschicht in Dünnschicht‑Transistor‑Anwendungen einsetzen wollen, müssen wir ihre extrem hohe Lochkonzentration anpassen. Zudem muss der Kristallisationsprozess gesteuert werden, um die Streuzeit zu verlängern. 

Zur Regelung von Nukleation und Kristallisation der Sn2+‑Halogen‑Perowskit‑Vorgänge werden Kompositions‑Engineering‑Methoden eingesetzt. Sie ermöglichen TFTs, hohe Loch‑Feldeffekt‑Mobilitäten zu erreichen, die mit denen von Niedrigtemperatur‑polykristallinen Geräten vergleichbar sind und hauptsächlich in der Solar‑Photovoltaik‑ und Elektronik‑Industrie verwendet werden.

Die Hauptaufbringungstechnik für Sn2+‑Halogen‑Perowskit‑Dünnschichten ist das Lösung‑Processing, das dem Eintauchen von Tinte in Papier ähnelt. Diese Technik ermöglicht schnelle, kostengünstige Optimierungsversuche.

Dieser rasche Fortschritt im Labor sowie die Aussichten auf zukünftige kostengünstige, hochdurchsatzfähige Fertigung sind der Grund, warum die meiste Forschung zur Nutzung von Halogen‑Perowskiten in Optoelektronik primär auf lösungsbasierte Aufbringungsmethoden fokussiert ist.

In der Praxis ist das jedoch nicht der Fall. Der Grund liegt darin, dass die Übertragung der Technik vom Labor in ein industrielles Umfeld herausfordernd ist. Selbst erfahrene Akteure kämpfen damit, in einer opto‑elektronischen Produktionskette ausreichende Ausbeute und Reproduzierbarkeit mit dieser Methode zu erzielen.

Während lösungsaufbereitete Sn2+‑Halogen‑Perowskite für P‑Kanal‑TFTs mit Leistungen, die mit kommerziellen Niedrigtemperatur‑Polysilizium‑Technologien vergleichbar sind, geeignet sind, entstehen Probleme nicht nur bei konstanter Qualität, sondern auch bei Skalierbarkeit und Kommerzialisierung aufgrund ihrer geringen Kompatibilität mit bestehenden Fertigungsprozessen für Flachbildschirme und Halbleiterbauelemente. 

Dampfbasierte Aufbringungstechniken übernehmen das Feld

Die Dampfabscheidung hat sich als Alternative zu lösungsbasierten Techniken zur Herstellung von Dünnschicht‑Transistoren (TFTs) etabliert.

Sie ist tatsächlich eine beliebte und führende Technik für kommerzialisierte Dünnschicht‑Elektronik dank ihrer Einfachheit, Präzisionsgenauigkeit, hervorragenden Filmqualität und Kompatibilität mit konventionellen Produktionsprozessen. 

Die Dicke und Morphologie des Dünnschichtfilms haben einen kritischen Einfluss auf die Geräteleistung, und die Dampfabscheidung ermöglicht deren präzise Manipulation.

Sowohl physikalische Dampfabscheidung (PVD) als auch chemische Dampfabscheidung (CVD) bieten ausgezeichnete Kontrolle über Filmdicke, Zusammensetzung und Eigenschaften. 

Aufgrund der Beschränkungen lösungsbasierter Techniken sind dampfbasierte Aufbringungstechniken die am häufigsten in realen industriellen Umgebungen eingesetzten, insbesondere in der Photovoltaik‑Herstellung. Beispielsweise nutzt der führende PV‑Solar‑Lösungsanbieter First Solar (FSLR ), Dampfverarbeitung zur Herstellung seiner Cadmium‑Tellurid‑Solarzellen. Ein weiteres Beispiel ist Heliatek GmbH, die thermische Verdampfung für ihre kommerziellen organischen Photovoltaik‑Produkte einsetzt.

Aber natürlich sind dampfbasierte Aufbringungstechniken nicht ohne Herausforderungen. Dazu gehören hohe Kosten, Prozesskomplexität, begrenzter Durchsatz und Beschränkungen hinsichtlich Substratgröße und -form.

Eine Studie vom letzten Jahr führte eine neuartige Methode² namens kontinuierliche Blitz‑Sublimation (CFS) ein, um die Beschränkungen der Dampfabscheidung bei der Herstellung hochwertiger anorganischer Halogen‑Perowskit‑Filme zu überwinden.

Ihre CFS‑Technik ermöglichte eine schnelle und kontinuierliche Aufbringung, reduzierte die Fertigungszeit und verbesserte die Film‑Uniformität, was für die skalierbare Herstellung von Perowskit‑basierten Geräten entscheidend ist. 

Laut den Studienergebnissen erzielte die Verwendung von CFS‑abgeleiteten Filmen in praktischen Solarzellen Leistungen, die nicht nur dem Niveau lösungsaufbereiteter Filme entsprechen, sondern auch besser sind als zuvor berichtete dampfaufbereitete, rein anorganische Perowskit‑Geräte.

Die Forschung meldete einen Wirkungsgrad von 15 %, was die „effizientesten dampfverarbeiteten Solarzellen mit anorganischem Halogen‑Perowskit‑Absorber“ darstellt, und löste die Herausforderungen von dampfverarbeiteten Perowskit‑Solarzellen, einschließlich zu langer Verarbeitungszeiten und fehlender kontinuierlicher Aufbringung, die beide die schnelle Anwendung dampfbasierter Ansätze im industriellen Maßstab behindern.

Revolutionierung von Halbleitern mit vaporisierten CsSnI3‑Schichten

Die Kristallisationsprozesse der Dampfabscheidung beinhalten langsame Festkörperreaktionen, im Gegensatz zu schnellen Ionenreaktionen beim Lösung‑Processing.

Dies erschwert es, hochwertige, hoch‑mobile Sn2+‑Perowskit‑Kanäle mit geeigneter Lochdichte durch Dampfabscheidung zu erreichen.

Um die Beschränkungen zu überwinden, hat ein Forscherteam unter Leitung von Dr. Youjin Reo und Professor Yong‑Young Noh vom Fachbereich Chemie‑Ingenieurwesen der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) eine bahnbrechende Technologie entwickelt.

Das Team nutzte einen thermischen Verdampfungsansatz mit CsSnI3 (anorganisches Cäsium‑Zinn‑Iodid), um P‑Kanal‑Sn2+‑Halogen‑Perowskit‑TFTs zu fertigen, die das Potenzial haben, die nächste Generation von Displays und elektronischen Geräten zu revolutionieren. 

Die Studie, die in Zusammenarbeit mit Professoren Huihui Zhu und Ao Liu von der University of Electronic Science and Technology of China (UESTC) durchgeführt wurde, wurde in Nature Electronics veröffentlicht³ und unterstützt wurde von der koreanischen Regierung, der National Natural Science Foundation of China und Samsung Display Corporation.

Das Team setzte erfolgreich thermische Verdampfung ein, die bereits zur Herstellung von Halbleiter‑Chips und OLED‑Fernsehern verwendet wird, um hochwertige CsSnI3‑Halbleiterschichten zu produzieren.

Bei diesem Verfahren werden Materialien bei hohen Temperaturen verdampft, um dünne Filme auf einem Substrat zu erzeugen.

Zusätzlich zu den dampfaufbereiteten anorganischen CsSnI3‑basierten P‑Kanal‑TFTs verwendete das Team Blei‑chlorid (PbCl2) als Zusatz. Durch die Zugabe einer kleinen Menge PbCl2 verbesserten sie die Uniformität und Kristallinität der Perowskit‑Dünnschichtfilme. 

Die Funktionsweise bestand darin, dass flüchtiges Chlorid als Reaktionsinitiator diente, feste‑Zustands‑Reaktionen der verdampften Perowskit‑Verbindungen auslöste, was zur vollständigen Phasenbildung des Perowskits führte. Dadurch wurden dicht gepackte, vergrößerte Kristalle in gestufter Weise gefördert. 

Neben der Förderung konsistenter, hochwertiger Perowskit‑Filme moduliert es zudem die hohe Lochdichte, sodass sie für den Einsatz als Kanal‑Schicht geeignet ist.

Die optimierten TFTs der Studie (CsSnI3:PbCl2‑TFTs) zeigten langfristige Lagerstabilität (über 150 Tage) und herausragende Leistung, erreichten eine Loch‑Mobilität von mehr als 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ und ein Einschalt‑/Ausschalt‑Stromverhältnis (Ion/Ioff) von über 10⁸. Diese Leistung war vergleichbar mit derzeit kommerzialisierten n‑Typ‑Oxid‑Halbleitern, was auf schnelle Signalverarbeitung und geringen Stromverbrauch beim Schalten hindeutet.

Zudem fertigte das Team ein großflächiges, einheitliches Sn2+‑Halogen‑Perowskit‑TFT‑Array. Mit diesem Erfolg, zusammen mit der verbesserten Gerätestabilität, überwindet die Innovation von POSTECH in Zusammenarbeit mit UESTC‑Forscher*innen die wesentlichen technischen Beschränkungen lösungsbasierter Verfahren.

Bemerkenswert ist, dass die Technologie, da sie mit bestehenden Fertigungswerkzeugen für OLED‑Display‑Produktionen kompatibel ist, ein erhebliches Potenzial zur Kostensenkung und Prozessoptimierung bietet.

Laut der Studie haben die dampfaufbereiteten TFTs das Potenzial, in Backplanes für organische Leuchtdioden‑Displays (OLEDs) oder in Logik‑Geräten und Schaltungen für monolithische 3D‑Integration eingesetzt zu werden, die niedrige Prozess‑Temperaturen erfordern.

„Diese Technologie eröffnet spannende Möglichkeiten für die Kommerzialisierung ultradünner, flexibler und hochauflösender Displays in Smartphones, Fernsehern, vertikal gestapelten integrierten Schaltungen und sogar tragbarer Elektronik, weil die Verarbeitungstemperatur unter 300 °C liegt.“

– Professor Yong‑Young Noh

Während die Durchbrüche bei Halbleitermaterialien weiter voranschreiten, werfen wir nun einen Blick auf einen bedeutenden investierbaren Branchenakteur.

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Investitionen in Halbleiter

In der Welt der Halbleiter ist Intel (INTC ) eines der größten Unternehmen und stark in die Entwicklung fortschrittlicher Chip‑Technologien investiert. Da die Branche zu kleineren, effizienteren Transistoren übergeht, sind Innovationen wie dampfaufbereitete Perowskite für Intel von großem Interesse, da das Unternehmen nach Alternativen zu Silizium für spezifische Anwendungen sucht.

Nicht zu vergessen, Intel arbeitet kontinuierlich daran, neue Materialien in das Chip‑Design zu integrieren, um die Leistung und die gesamte Chip‑Architektur zu verbessern. 

Intel Corporation (INTC )

Das Unternehmen operiert in drei Segmenten. Intel Products umfasst Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) und Client Computing Group (CCG). Das Intel Foundry‑Segment ist ein weiteres, während alle anderen Segmente Altera, Mobileye und weitere abdecken.

Der größte Chip‑Hersteller der USA zählt große PC‑Hersteller wie Dell, Lenovo und HP zu seinen Kunden. Zudem produziert es hochmoderne Chips für das US‑Verteidigungsministerium. Darüber hinaus hat Intel Partnerschaften mit Unternehmen wie Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP und Amazon geschlossen. 

Intel hat eine Marktkapitalisierung von 91,23 Milliarden $, und die Aktien werden derzeit zu 20,93 $ gehandelt, ein Anstieg von 4,6 % in diesem Jahr. Das EPS (TTM) liegt bei –4,48, das KGV (TTM) bei –4,68, und es wird keine Dividende an die Aktionäre ausgeschüttet.

Während die INTC‑Performance in diesem Jahr positiv geworden ist, liegen die Aktienkurse noch weit unter dem Höchststand von fast 67,5 $ im Jahr 2021. 2023 war ein gutes Jahr für Intel‑Aktien. Das letzte Jahr war jedoch schwierig, da die Kurse unter 19 $ fielen, und in diesem Jahr beeinträchtigen Unsicherheiten durch Zölle und einen möglichen Handelskrieg den breiten Aktienmarkt.

„Das aktuelle makroökonomische Umfeld schafft erhöhte Unsicherheit in der gesamten Branche“, bemerkte CFO David Zinsner. Während das Unternehmen in einem Gespräch mit Analysten einen „disziplinierten und vorsichtigen Ansatz“ verfolgt, wies Zinsner darauf hin, dass Handelspolitik und regulatorische Risiken „die Wahrscheinlichkeit einer wirtschaftlichen Abschwächung erhöht haben, wobei die Wahrscheinlichkeit einer Rezession steigt.“

Einige positive Nachrichten lassen sich jedoch in der Vorbereitung der Trump‑Administration sehen, die US‑Chip‑Exportbeschränkungen, bekannt als die „AI‑Diffusions‑Regel“, rückgängig zu machen. Damit würden die von der Biden‑Administration auferlegten Beschränkungen, die am 15. Mai in Kraft treten sollten, aufgehoben.

Unter dieser Regel werden Länder in drei verschiedene Stufen eingeteilt, und alle sind hinsichtlich des Versands fortschrittlicher KI‑Chips wie denen von Intel und Nvidia (NVDA ) ohne Lizenz eingeschränkt.

„Die Biden‑AI‑Regel ist übermäßig komplex, übermäßig bürokratisch und würde die amerikanische Innovation ersticken. Wir werden sie durch eine viel einfachere Regel ersetzen, die amerikanische Innovation freisetzt und die amerikanische KI‑Dominanz sicherstellt.“

– Sprecher des Handelsministeriums

Bezüglich der Intel‑Finanzen zeigte das 1. Quartal 2025 ein flaches Jahreswachstum, da der Umsatz bei 12,7 Milliarden $ lag, während das Ergebnis (Verlust) je Aktie (EPS) bei –0,19 $ lag und das nicht‑GAAP‑EPS bei 0,13 $ lag. Dies folgt auf einen Gesamtumsatz von 53,1 Milliarden $ im gesamten Jahr 2024, ein Rückgang von 2 % gegenüber dem Vorjahr, wobei das EPS bei –4,38 $ und das nicht‑GAAP‑EPS bei –0,13 $ lag.

Die Verlangsamung wird voraussichtlich im nächsten Quartal anhalten, wobei Intel einen Umsatz zwischen 11,2 Milliarden $ und 12,4 Milliarden $ prognostiziert. Das Unternehmen hat jedoch Pläne angekündigt, die Ausgaben im kommenden Jahr zu senken, das erste unter CEO Lip‑Bu Tan. Die Betriebskosten für 2025 werden voraussichtlich 17 Milliarden $ betragen, und für 2026 werden sie voraussichtlich 16 Milliarden $ betragen.

„Das erste Quartal war ein Schritt in die richtige Richtung, aber es gibt keine schnellen Lösungen, während wir daran arbeiten, wieder Marktanteile zu gewinnen und nachhaltiges Wachstum zu erzielen“, sagte Tan, der in Hunderte chinesischer Technologie‑Firmen investiert hat. Unter seiner Führung „ergreift das Unternehmen rasche Maßnahmen, um die Ausführung und operative Effizienz zu verbessern, während es unseren Ingenieuren ermöglicht, großartige Produkte zu schaffen.“

Intel befindet sich also eindeutig in einer herausfordernden Phase. Neben rückläufigen Umsätzen und unbefriedigender Marktperformance verliert das Unternehmen Marktanteile, und seine Investitionen in das Foundry‑Geschäft haben bisher keine signifikanten Ergebnisse erzielt. Intel hatte zudem Ausführungsfehler bei der Markteinführung neuer Produkte.

Aber aggressive Umstrukturierungen unter der neuen Führung, die zu Entlassungen führen könnten, Spekulationen über eine Abspaltung oder den Verkauf eines Anteils am Foundry‑Geschäft an TSMC sowie das Potenzial, mit Intel 18A, das bereits Unterstützung von Microsoft erhalten hat und auch von Nvidia und Google in Betracht gezogen wird, die Führung zurückzugewinnen, könnten Intel zu einem bedeutenden Comeback verhelfen, wobei die Umsetzung hier entscheidend sein wird.

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Fazit

Halbleiter sind das Fundament moderner Elektronik. Und mit der Nachfrage nach billigeren, schnelleren und kleineren Geräten wird Materialinnovation wichtiger denn je.

Vor diesem Hintergrund zeigt der Durchbruch der neuesten Studie ein enormes Potenzial, konventionelle Dünnschicht‑Transistor‑Technologien zu disruptieren. Fortschritte bei dampfaufbereiteten Sn2+‑Halogen‑Perowskit‑TFTs haben die thermische Stabilität und die Kompatibilität mit bestehenden OLED‑Fertigungsverfahren verbessert und weisen auf eine vielversprechende Zukunft für die Integration von Perowskit‑basierten Halbleitern in flexible und 3D‑Elektronik hin. 

Durch solche fortlaufenden Innovationen bewegen wir uns einer Zukunft zu, in der hochkompakte, energieeffiziente und flexible Smart‑Devices Realität werden.

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Studienreferenzen:

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa‑Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Bleifreie Halbleiter: Phasenentwicklung und überlegene Stabilität multinary‑Zinn‑Chalcohalide. 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). Kontinuierliche Blitz‑Sublimation anorganischer Halogen‑Perowskite: Überwindung von Geschwindigkeits‑ und Kontinuitäts‑Beschränkungen der Dampfabscheidung. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). Dampfaufbereitete hochleistungsfähige Zinn‑Perowskit‑Transistoren. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8