Höyrykerrostetut perovskiitit tehostamassa seuraavan sukupolven puolijohteita

Elektroniikka on vaikuttanut merkittävästi nykyaikaiseen yhteiskuntaan, ei pelkästään televiestintään ja viihteeseen, vaan myös koulutukseen, terveydenhuoltoon, liikenteeseen, valmistukseen, laskentaan ja turvallisuuteen.

Kriittinen komponentti sähköisissä laitteissa on puolijohde, eli siru. Puolijohde on materiaali, jolla on sekä eristeiden että johtimien ominaisuuksia. Sitä voidaan muokata vastaamaan tietyn elektronisen komponentin erityistarpeita. Sen tehtäviin kuuluu signaalien vahvistus, kytkentä ja energian muunto.

Puolijohdeteollisuus keskittyy kehittämään pienempiä, nopeampia ja edullisempia tuotteita ja tutkii jatkuvasti uusia materiaaleja näiden tavoitteiden saavuttamiseksi sekä seuraavan sukupolven elektronisten laitteiden edistämiseksi.

Ei-myrkyllisten tina (Sn)-pohjaisten perovskiittien tutkiminen puolijohteissa

Nousevien puolijohteiden joukossa metallihalidi-perovskiitti on saanut huomiota erinomaisen varauskuljetuskykynsä ja edullisen, laajalla alueella tapahtuvan kerrostustekniikkansa ansiosta, jotka toimivat alhaisissa lämpötiloissa. 

Metallihalidit ovat yhdisteitä, jotka muodostuvat, kun metalli- ja halogeenelementit yhdistyvät. Esimerkkejä ovat natriumkloridi, eli suola, ja uraaniheksafluoridi, jota käytetään ydinvoimaloiden polttoaineena. 

Perovskiitit ovat luokka materiaaleja, joilla on ABO3‑kiteinen rakenne. Tässä A on harvinaisen maan alkuaine, kun taas B on siirtymämetalli. Näitä materiaaleja tuotetaan asetaattien, nitraattien ja karbonaattien lämpöpilkkomisella 600–900 °C lämpötiloissa.

Metallihalidi-perovskiittien joukossa ei-myrkylliset tina (Sn)-pohjaiset ehdokkaat, joilla on ainutlaatuinen kiteinen rakenne, ovat nousseet lupaaviksi vaihtoehdoiksi. Tinalähtöiset puolijohteet ovat erittäin toivottuja energiasovelluksiin niiden alhaisen myrkyllisyyden ja biokompatibiliteetin vuoksi.

A Tutkimus¹, jonka tekivät Iowa State Universityn tutkijat, keskittyi tinapohjaisiin kalsiokhalideihin, joita tutkitaan puolijohteina useisiin sovelluksiin. Niillä on optoelektronisia ominaisuuksia, ne osoittavat luontaisesti korkean vakauden ja hyvä energian muuntosuhteen.

Tutkimus keskittyi monialtaisten tinakalsiokhalidi-puolijohteiden kehittämiseen monipuolisella liuosvaihemenetelmällä, toimien lyijyttömiksi vaihtoehdoiksi optoelektroniikkaan. Se vahvisti, että tinakalsiokhalidit osoittavat merkittävää vesivakautta huoneolosuhteissa ja erinomaista lämmönkestävyyttä ajan myötä verrattuna halidi-perovskiitteihin. Tämän työn tavoitteena on ollut auttaa suunnittelemaan vakaampia ja biokompatibilimpia puolijohteita ja laitteita.

Korkean suorituskyvyn P-kanavan TFT:t nopeuteen ja tehokkuuteen

Kun tarkastellaan ei-myrkyllisiä tina (Sn)-pohjaisia cTin (Sn2+)-halidi-perovskiitteja, kuten cesiumtinatriiidia (CsSnI3), formamidiinitinatriiidia (FASnI3) ja metyylammoniumtinatriiidia (MASnI3), ne osoittavat potentiaalia korkean suorituskyvyn p-kanavan ohutkalvotransistorien (TFT) kehittämisessä.

TFT:iä käytetään yleisimmin nestekidenäyttöjen (LCD) yhteydessä, ja ne ovat taustavoima litteiden paneelien näytöissä älypuhelimissa, tableteissa, kannettavissa tietokoneissa, pöytäkoneissa ja HD‑televisioissa.

Kun käytämme laitteitamme, tuhannet mikroskooppiset komponentit, eli transistorit, toimivat väsymättömästi taustalla, säädellen sähkövirtoja kuvien näyttämiseksi ja sujuvan toiminnan varmistamiseksi. 

Nykyään transistorit jaetaan n-tyypin (elektronikuljetus) ja p-tyypin (reikäkulkukuljetus) mukaan. N-tyypin laitteet yleensä osoittavat parempaa suorituskykyä. Mutta jos haluamme saavuttaa korkean nopeuden laskennassa kuluttaen vähän energiaa, myös p-tyypin transistorien on saavutettava vastaava tehokkuus.

Siksi keskitytään korkean suorituskyvyn p-kanavan ohutkalvotransistoreihin. TFT:iden valmistamiseksi käytetään yleensä puolijohdetta, kuten piitä tai metallin oksideja, sekä dielektrikerrosta, yleensä epäorgaanisia materiaaleja, jotka kerrostetaan ei‑johtavalle alustoille, kuten lasille tai muoville.

Jos haluamme käyttää perovskiitteja kanavakerroksina, eli puolijohdemateriaalina, ohutkalvotransistorisovelluksissa, meidän on säädettävä niiden äärimmäistä reikäsadetta. Lisäksi on hallittava kiteytymisprosessi, jotta hajautusaika pidentyy.

Sn2+-halidi-perovskiittiprekursorien nukleoitumisen ja kiteytymisen säätämiseksi käytetään koostumusinsinöörimenetelmiä. Ne mahdollistavat TFT:iden saavuttaa korkean reikäkenttäefektiivisen liikkuvuuden, joka on tasolla matalalämpötilaisissa polykristallisissa laitteissa, joita käytetään pääasiassa aurinko‑valosähkö- ja elektroniikkateollisuudessa.

Sn2+-halidi-perovskiittipinnoitteiden pääasiallinen kerrostustekniikka on liuosprosessi, joka on kuin musteen liottamista paperiin. Tämä tekniikka mahdollistaa nopeita optimointikokeita kustannustehokkaasti.

Tämä nopea edistyminen laboratoriossa sekä tulevaisuuden edullisen, suurituotantokapasiteetin valmistusmahdollisuudet ovat syy siihen, miksi suurin osa perovskiittimateriaalien käytöstä optoelektroniikassa keskittyy ratkaisevasti liuospohjaisiin kerrostusmenetelmiin.

Todellisessa maailmassa näin ei kuitenkaan ole. Tämä johtuu siitä, että tekniikan siirtäminen laboratoriosta teolliseen ympäristöön on haastavaa. Kun sitä otetaan käyttöön optoelektronisessa teollisessa tuotantoketjussa, jopa kokeneimmat kamppailevat saavuttaakseen riittävän tuotantomäärän ja toistettavuuden tällä menetelmällä.

Joten, vaikka liuosprosessoidut tina (Sn2+)-halidi-perovskiitit ovat käyttökelpoisia p-kanavan TFT:ille, joiden suorituskyky on verrattavissa kaupalliseen matalalämpötilaisen polysilikonin teknologiaan, ongelma ilmenee ei vain tasalaatuisessa laadussa, vaan myös skaalautuvuudessa ja kaupallistamisessa niiden alhaisen yhteensopivuuden vuoksi olemassa olevien litteän paneelin näytöt ja puolijohdelaitteet -valmistusprosessien kanssa.

Höyrypohjaiset kerrostustekniikat ottavat ohjat

Höyrykerrostus on noussut vaihtoehdoksi liuospohjaisille tekniikoille Ohutkalvotransistorit (TFT).

Se on itse asiassa suosittu ja johtava tekniikka kaupallistettuun ohutkalvosemikaaliseen elektroniikkaan sen yksinkertaisuuden, tarkkuuden, erinomaisen filmilaadun ja perinteisten tuotantoprosessien yhteensopivuuden vuoksi.

Ohutkalvon paksuus ja morfologia vaikuttavat kriittisesti laitteen suorituskykyyn, ja höyrykerrostus mahdollistaa niiden tarkan manipuloinnin.

Sekä fyysinen höyrykerrostus (PVD) että kemiallinen höyrykerrostus (CVD) tarjoavat erinomaisen hallinnan filmipaksuudessa, koostumuksessa ja ominaisuuksissa.

Ratkaistakseen liuospohjaisten tekniikoiden rajoitukset, höyrypohjaiset kerrostustekniikat ovat yleisimmin käytettyjä todellisissa teollisuusympäristöissä, erityisesti aurinkokennojen valmistuksessa. Esimerkiksi johtava aurinkosähköenergiaa tarjoava yritys First Solar (FSLR ), käyttää höyryprosessia kadmiumtelluurisolujen valmistukseen. Toinen esimerkki on Heliatek GmbH, joka käyttää lämpöhöyrytystä kaupallisten orgaanisten aurinkokennojen tuotannossa.

Kuitenkin, tietysti, höyrypohjaiset kerrostustekniikat eivät ole ilman haasteita. Näihin kuuluvat korkeat kustannukset, prosessin monimutkaisuus, rajoitettu läpimenoaika sekä rajoitukset alustan koossa ja muodossa.

A study from last year esitteli uuden menetelmän² nimeltään jatkuva salamanalainen sublimaatio (CFS) voittamaan höyrykerrostuksen rajoitukset korkealaatuisten epäorgaanisten halidi-perovskiittifilmien tuotannossa.

Heidän CFS-tekniikkansa mahdollisti nopean ja jatkuvan kerrostuksen, vähentäen valmistusaikaa ja parantaen filmien tasaisuutta, mikä on ratkaisevan tärkeää perovskiittipohjaisten laitteiden skaalautuvassa valmistuksessa. 

Tutkimuksen tulosten mukaan CFS:n avulla valmistetut filmit käytettyinä käytännön aurinkokennoissa tuottivat suorituskykyä, joka ei ainoastaan ollut tasolla liuoskerrostettujen filmien kanssa, vaan myös ylitti aiemmin raportoituja höyrykerrostettuja täysin epäorgaanisia perovskiittilaitteita.

Tutkimus raportoi 15 % energian muuntosuhteesta, tarjoten “tehokkaimmat höyryprosessoidut aurinkokennot, jotka käyttävät epäorgaanista halidi-perovskiittia absorboijana”, samalla ratkaisten höyryprosessoitujen perovskiittisolaaristen haasteet, kuten liian pitkät prosessointiajat ja jatkuvan kerrostuksen puute, jotka molemmat estävät höyrypohjaisten menetelmien nopean soveltamisen teollisessa mittakaavassa.

Puolijohteiden vallankumous höyryttyneillä CsSnI3-kerroksilla

Höyrykerrostuksen kiteytymisprosessit sisältävät hitaita kiinteäreaktioita, toisin kuin nopeat ionireaktiot liuosprosessa.

Tämä tekee haasteelliseksi saavuttaa korkealaatuisia, korkeamobiilisuutta omaavia Sn2+-perovskiittikanavia, joilla on sopiva reikäsadetta, höyrykerrostuksen avulla.

Rajoitusten voittamiseksi tutkijaryhmä, jota johti tohtori Youjin Reo ja professori Yong-Young Noh Pohangin tiedekorkeakoulun (POSTECH) kemiantekniikan laitoksesta, on kehittänyt mullistavan teknologian.

Mitä tiimi teki, oli hyödyntää lämpöhöyrytysmenetelmää CsSnI3:n (epäorgaaninen cesiumtinaiodidi) avulla p-kanavan Sn2+-halidi-perovskiitti TFT:iden valmistukseen, jotka osoittavat potentiaalia mullistaa seuraavan sukupolven näytöt ja elektroniset laitteet.

Tutkimus, joka toteutettiin yhteistyössä professoreiden Huihui Zhu ja Ao Liu kanssa Kiinan Elektroniikan tiede- ja teknologian yliopistosta (UESTC), julkaistiin Nature Electronics -lehdessä ja sai tukea Korean hallitukselta, Kiinan kansalliselta luonnontieteiden säätiöltä sekä Samsung Display Corporationilta.

Tiimi sovelsi menestyksekkäästi lämpöhöyrytystä, jota käytetään laajasti puolijohdepiirien ja OLED‑televisioiden valmistukseen, tuottaakseen korkealaatuisia CsSnI3‑puolijohdekerroksia.

Tässä menetelmässä materiaalit höyrystetään korkeissa lämpötiloissa ohuen filmikerroksen muodostamiseksi alustan päälle.

Lisäksi epäorgaanisten CsSnI3-pohjaisten p-kanavan TFT:iden höyrykerrostuksen yhteydessä tiimi käytti lyijyklooridia (PbCl2) lisäaineena. Pienen määrän PbCl2:n lisääminen paransi perovskiittifilmien tasaisuutta ja kiteisyyttä.

Toimintaperiaate perustui siihen, että haihtuva klooridi toimi reaktion käynnistäjänä, aiheuttaen kiinteän tilan reaktioita höyrytettyjen perovskiittiyhdisteiden välillä, mikä johti täydelliseen perovskiittivaiheen muodostumiseen. Tämä puolestaan edisti tiiviisti pakattuja suuria rakeita ketjuttaen.

Lisäksi se helpotti yhtenäisten, korkealaatuisten perovskiittifilmien muodostumista ja sääti korkeaa reikäsadetta, tehden niistä sopivia kanavakerroksiksi.

Tutkimuksen optimoidut TFT:t (CsSnI3:PbCl2 TFT:t) osoittivat pitkäaikaisen varastointivakauden (yli 150 päivää) ja poikkeuksellisen suorituskyvyn, saavuttaen reikämobiilisuuden yli 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ ja virran suhteen (Ion/Ioff) yli 10⁸. Tämä suorituskyky oli verrattavissa nykyisiin kaupallisiin n‑tyypin oksidi‑puolijohteisiin, mikä viittaa nopeaan signaalinkäsittelyyn ja alhaiseen energiankulutukseen kytkennän aikana.

Lisäksi tiimi valmisti laajamittaisen tasaisen Sn2+-halidi-perovskiitti TFT‑taulukon. Tämän saavutuksen myötä, yhdessä laitteiden vakauden parantamisen kanssa, POSTECHin innovaatio yhteistyössä UESTC-tutkijoiden kanssa ylittää merkittävät tekniset rajoitteet liuospohjaisissa menetelmissä.

Huomionarvoista on, että koska se on yhteensopiva olemassa olevien OLED‑näyttöjen valmistustyökalujen kanssa, teknologia tarjoaa merkittävän potentiaalin kustannusten vähentämiseen ja valmistusprosessien virtaviivaistamiseen.

Tutkimuksen mukaan höyrykerrostetut TFT:t voivat toimia orgaanisten valoa säteilevien diodeiden (OLED) taustapintana tai logiikkalaitteissa ja -piireissä monoliittisessa 3D‑integraatiossa, jotka vaativat alhaisia prosessilämpötiloja.

“Tämä teknologia avaa jännittäviä mahdollisuuksia erittäin ohutkalvoisten, joustavien ja korkean resoluution näyttöjen kaupallistamiseen älypuhelimissa, televisioissa, pystysuorassa pinnoitetuissa integroiduissa piireissä ja jopa kannettavassa elektroniikassa, koska prosessilämpötila on alle 300 °C.”

– professori Yong-Young Noh

Kun puolijohdemateriaalien läpimurrot kehittyvät, tarkastellaan nyt merkittävää sijoituskohdetta.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, ovatko grafeenipuolijohteet vihdoin täällä.

Sijoittaminen puolijohteisiin

Puolijohteiden maailmassa Intel (INTC ) on yksi suurimmista yrityksistä, ja se on vahvasti panostanut kehittyneiden siruteknologioiden kehittämiseen. Kun ala siirtyy kohti pienempiä, tehokkaampia transistoreita, höyrykerrostetut perovskiitit herättävät Intellissä suurta kiinnostusta, sillä se etsii vaihtoehtoja piille tietyissä sovelluksissa.

Lisäksi Intel työskentelee jatkuvasti uusien materiaalien integroimiseksi sirusuunnitteluun suorituskyvyn ja koko siruarkkitehtuurin parantamiseksi. 

Intel Corporation (INTC )

Yritys toimii kolmessa segmentissä. Intel Products sisältää Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) sekä Client Computing Group (CCG). Intel Foundry on toinen segmentti, kun taas All Other -segmentti kattaa Altera, Mobileye ja muut.

Yhdysvaltojen suurin sirunvalmistaja palvelee merkittäviä PC-valmistajia, kuten Dell, Lenovo ja HP. Se valmistaa myös huipputason siruja Yhdysvaltain puolustusministeriölle. Lisäksi Intel on solminut kumppanuuksia yritysten kuten Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP ja Amazon kanssa. 

Intellillä on markkina-arvo 91,23 miljardia dollaria, ja sen osakkeet kaupataan tällä hetkellä 20,93 dollaria, mikä on 4,6 % nousu tänä vuonna. Sen EPS (TTM) on -4,48, ja P/E (TTM) on -4,68, eikä osakkeenomistajille tarjota osinkotuottoa.

Vaikka INTC:n suorituskyky on kääntynyt positiiviseksi tänä vuonna, osakekurssit ovat edelleen kaukana vuoden 2021 huippulukemasta, lähes 67,5 dollaria. Vuosi 2023 oli hyvä Intel‑osakkeille. Mutta viime vuonna hinnat laski alle 19 dollariin, ja tänä vuonna tullut epävarmuus tullien ja mahdollisen kauppasodan vuoksi on vaikuttanut laajasti osakemarkkinoihin.

“Nykyinen makrotalousympäristö luo lisääntynyttä epävarmuutta koko alalla,” totesi talousjohtaja David Zinsner. Vaikka yritys ottaa “kurinalaisen ja harkitun lähestymistavan” analyytikoiden puhelinkeskustelussa, Zinsner totesi, että kauppapolitiikka- ja sääntelyriskit “ovat lisänneet talouden hidastumisen mahdollisuutta, ja taantuman todennäköisyys kasvaa.”

Joitakin positiivisia uutisia on kuitenkin nähtävissä Trumpin hallinnon valmistautumisessa kääntää Yhdysvaltojen sirun vientirajoituksia, joita kutsutaan ‘AI-diffuusiosäännöksi’. Tämä lopettaa joukon rajoituksia, jotka Bidenin hallinto asetti puolijohdevalmistajille ja joiden on määrä astua voimaan 15. toukokuuta.

Tämän säännön mukaan maat on jaettu kolmeen eri tasoon, ja kaikissa niissä on rajoituksia koskien sitä, voiko edistyneitä AI‑siruja, kuten Intelin ja Nvidian, lähettää maahan ilman lupaa.

“Bidenin AI‑sääntö on liian monimutkainen, liian byrokraattinen, ja se tukahduttaisi amerikkalaisen innovaation. Korvaamme sen paljon yksinkertaisemmalla säännöllä, joka vapauttaa amerikkalaisen innovaation ja varmistaa amerikkalaisen AI‑vallan.”

– Yhdysvaltain kauppaministeriön tiedottaja

Intelin taloustietojen osalta vuoden 2025 Q1:ssä kasvu oli tasainen vuoden verrattuna, kun liikevaihto oli 12,7 miljardia dollaria ja osakekohtainen tulos (EPS) oli $(0.19) ja non‑GAAP EPS oli $0.13. Tämä tulee 2024:n koko vuoden 53,1 miljardia dollaria liikevaihdosta, joka oli 2 % alhaisempi vuoden verrattuna, kun EPS oli $(4.38) ja non‑GAAP EPS $(0.13).

Odotetaan, että hidastuminen jatkuu seuraavassa neljänneksessä, kun Intel ennustaa liikevaihdoksi 11,2–12,4 miljardia dollaria. Yritys on kuitenkin ilmoittanut suunnittelevansa kulujen leikkaamista tulevana vuonna, ensimmäisenä CEO Lip‑Bu Tanin johdolla. Vuoden 2025 operatiiviset kulut odotetaan olevan 17 miljardia dollaria, ja vuoden 2026 kulut 16 miljardia dollaria.

“Ensimmäinen neljännes oli askel oikeaan suuntaan, mutta nopeita korjauksia ei ole, kun pyrimme palaamaan markkinaosuuskasvuun ja kestävään kasvuun,” sanoi Tan, joka on investoinut satoihin kiinalaisiin teknologiayrityksiin. Hänen johdollaan yritys “ottaa nopeita toimia parantaakseen toteutusta ja operatiivista tehokkuutta samalla kun antaa insinööreillemme mahdollisuuden luoda erinomaisia tuotteita.”

Joten Intel selvästi navigoi haastavaa ajanjaksoa. Liikevaihdon laskun ja epätyydyttävän markkinasuorituksen lisäksi yritys menettää markkinaosuuttaan, ja sen investoinnit foundry‑liiketoimintaan eivät ole vielä tuottaneet merkittäviä tuloksia. Intel on myös kokenut toteutuksen epäonnistumisia uusien tuotteiden lanseerauksessa.

Kuitenkin aggressiivinen uudelleenjärjestely uudessa johdossa, joka voi johtaa irtisanomisiin, spekulaatioihin spin‑offista tai Foundry‑toiminnan osakkeiden myymisestä TSMC:lle, sekä mahdollisuus palauttaa johtajuus Intel 18A:n avulla, joka on jo saanut Microsoftin tuen ja jota myös Nvidia (NVDA ) ja Google tarkastelevat, voi auttaa Intelia tekemään merkittävän paluun, vaikka toteutus on kriittinen.

Viimeisimmät uutiset Intel Corporationista

Yhteenveto

Puolijohteet ovat nykyaikaisen elektroniikan perusta. Ja kun kysyntä halvempiin, nopeampiin ja pienempiin laitteisiin kasvaa, materiaalinnovaatiot ovat tärkeämpiä kuin koskaan.

Tämän taustan valossa viimeisimmän tutkimuksen saavutus osoittaa valtavan potentiaalin häiritä perinteisiä ohutkalvotransistoriteknologioita. Höyrykerrostettujen Sn2+-halidi-perovskiitti TFT:iden edistys on parantanut lämpöstabiilisuutta ja yhteensopivuutta nykyisten OLED‑valmistusmenetelmien kanssa, korostaen lupaavaa tulevaisuutta perovskiittipohjaisten puolijohteiden integroimisessa joustaviin ja 3D‑elektroniikoihin.

Jatkuvien innovaatioiden avulla edistymme kohti tulevaisuutta, jossa on erittäin kompakteja, energiatehokkaita ja joustavia älylaitteita.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista puolijohde‑laitteiden osakkeista.

Viitteet:

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa-Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Lyijyttömät puolijohteet: Vaihekehitys ja parempi vakaus monialtaisissa tinakalsiokhalideissa. 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). Jatkuva salamanalainen sublimaatio epäorgaanisista halidi-perovskiiteista: nopeus- ja jatkuvuusrajoitteiden voittaminen höyrykerrostuksessa. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). Höyrykerrostetut korkean suorituskyvyn tinaperovskiitti-transistorit. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8