Des pérovskites déposées en phase vapeur pour alimenter les semi-conducteurs de la prochaine génération

L'électronique a considérablement influencé la société moderne, non seulement les télécommunications et les loisirs, mais aussi l'éducation, les soins de santé, les transports, la fabrication, l'informatique et la sécurité.

Le semi-conducteur, également appelé puce, est un composant essentiel des appareils électriques. Un semi-conducteur est un matériau qui possède certaines des propriétés des isolants et des conducteurs. Il peut être modifié pour répondre aux besoins spécifiques du composant électronique dans lequel il se trouve. Ses fonctions comprennent l'amplification des signaux, la commutation et la conversion d'énergie.

L'industrie des semi-conducteurs se concentre sur le développement de produits plus petits, plus rapides et moins chers et explore constamment de nouveaux matériaux pour atteindre ces objectifs et faire progresser la prochaine génération de dispositifs électroniques.

Exploration de pérovskites non toxiques à base d'étain (SN) pour les semi-conducteurs

Parmi les semi-conducteurs émergents, la pérovskite à halogénures métalliques a le vent en poupe grâce à ses superbes propriétés de transport de charges et à sa capacité de dépôt peu coûteux sur de grandes surfaces à basse température. 

Les halogénures métalliques sont des composés formés par la combinaison d'un métal et d'un élément halogène. Les exemples incluent le chlorure de sodium, qui est le sel, et l'hexafluorure d'uranium, qui est le combustible utilisé dans les réacteurs nucléaires. 

Les pérovskites sont une classe de matériaux présentant une structure cristalline ABO3. Ici, A est une terre rare et B un métal de transition. Ces matériaux sont produits par décomposition thermique d'acétates, de nitrates et de carbonates à des températures élevées comprises entre 600 et 900 degrés Celsius.

Parmi les pérovskites à base d'halogénures métalliques, les candidats non toxiques à base d'étain (Sn), avec leur structure cristalline unique, sont apparus comme des candidats prometteurs. Les semi-conducteurs à base d'étain sont des matériaux très recherchés pour les applications énergétiques en raison de leur faible toxicité et de leur biocompatibilité.

A étude¹ menée par des chercheurs de l'université d'État de l'Iowa s'est tournée vers les chalcohalides à base d'étain, qui sont étudiés en tant que semi-conducteurs pour de multiples applications. Ils présentent en effet des propriétés optoélectroniques, une stabilité intrinsèquement élevée et une grande efficacité en matière de conversion d'énergie.

L'étude s'est concentrée sur le développement de semi-conducteurs de chalcohalogénures d'étain multinaires, à l'aide d'une méthode polyvalente de mise en solution, comme alternatives sans plomb pour les applications optoélectroniques. Elle a validé le fait que les chalcohalides d'étain présentent une remarquable stabilité à l'eau dans des conditions ambiantes et une excellente résistance à la chaleur dans le temps par rapport aux pérovskites d'halogénure. L'objectif de ces travaux est de contribuer à la conception de semi-conducteurs et de dispositifs plus stables et biocompatibles.

TFT à canal P haute performance pour la vitesse et l'efficacité

En ce qui concerne les pérovskites à base d'étain (Sn) non toxique cTin (Sn2+)-halide, les triiodures d'étain de césium (CsSnI3), d'étain de formamidinium (FASnI3) et de méthylammonium (MASnI3) présentent un potentiel pour le développement de transistors à couches minces (TFT) à canal p de haute performance.

Les TFT sont le plus souvent utilisés dans les écrans à cristaux liquides (LCD) et constituent la force motrice des écrans plats des smartphones, des tablettes, des ordinateurs portables, des ordinateurs de bureau et des téléviseurs HD.

Lors de l'utilisation de nos appareils, des milliers de composants microscopiques, appelés transistors, fonctionnent inlassablement dans les coulisses, régulant les courants électriques pour afficher les images et assurer un fonctionnement sans heurts. 

Aujourd'hui, les transistors sont classés en deux catégories : les transistors de type n (transport d'électrons) et les transistors de type p (transport de trous). Les dispositifs de type N présentent généralement des performances supérieures. Mais si nous voulons obtenir des calculs à grande vitesse tout en consommant peu d'énergie, les transistors de type p doivent également atteindre une efficacité comparable.

L'accent est donc mis sur les transistors à couche mince à canal p à haute performance. Pour produire des TFT, un semi-conducteur tel que le silicium ou des oxydes métalliques et une couche diélectrique, généralement constituée de matériaux inorganiques, sont déposés sur un substrat non conducteur tel que le verre ou le plastique.

Maintenant, si nous voulons utiliser les pérovskites comme couches de canal, c'est-à-dire comme matériau semi-conducteur, dans des applications de transistors à couche mince, nous devons ajuster leur concentration extrême en trous. Nous devons également contrôler le processus de cristallisation afin d'allonger le temps de diffusion. 

Des méthodes d'ingénierie de la composition sont utilisées pour réguler la nucléation et la cristallisation des précurseurs de pérovskite à halogénure de Sn2+. Elles permettent aux TFT d'atteindre des mobilités d'effet de champ de trous élevées, au niveau des dispositifs polycristallins à basse température, qui sont principalement utilisés dans les industries photovoltaïques et électroniques.

La principale technique de dépôt utilisée pour les films minces de pérovskite d'halogénure de Sn2+ est le traitement en solution, qui revient à tremper de l'encre dans du papier. Cette technique permet de réaliser des essais d'optimisation rapides et rentables.

This fast progress in the lab as well as the prospects for future low-cost, high-throughput fabrication are the reason why most research surrounding halide perovskite materials’ usage in optoelectronics is primarily centred around solution-based deposition methods.

Dans le monde réel, cependant, ce n'est pas du tout le cas. En effet, le transfert de la technique du laboratoire à l'environnement industriel est un défi. Lorsqu'elle est mise en œuvre dans une chaîne de production industrielle optoélectronique, même les plus expérimentés ont du mal à obtenir un rendement de production et une reproductibilité suffisants avec cette méthode.

Ainsi, bien que les pérovskites d'halogénure d'étain (Sn2+) traitées en solution soient viables pour les TFT à canal p avec des performances comparables à celles de la technologie commerciale du polysilicium à basse température, le problème ne se pose pas seulement en termes de qualité constante, mais aussi en termes d'évolutivité et de commercialisation, en raison de leur faible compatibilité avec les processus de fabrication existants pour les écrans plats et les dispositifs à semi-conducteurs. 

Les techniques de dépôt en phase vapeur prennent le relais

Le dépôt en phase vapeur s'est imposé comme une alternative aux techniques basées sur les solutions pour produire de l'aluminium. Transistors à couche mince (TFT).

Il s'agit en fait d'une technique populaire et de premier plan pour l'électronique à couche mince commercialisée, en raison de sa simplicité, de son excellente précision, de la superbe qualité de ses films et de sa compatibilité avec les processus de production conventionnels. 

The thickness and morphology of the thin film actually have a critical impact on a device’s performance, and vapor deposition allows for their precise manipulation.

Le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) offrent tous deux un excellent contrôle sur l'épaisseur, la composition et les propriétés du film. 

En raison des limites des techniques basées sur les solutions, les techniques de dépôt en phase vapeur sont les plus couramment utilisées dans les environnements industriels réels, en particulier dans la fabrication de produits photovoltaïques. Par exemple, le principal fournisseur de solutions d'énergie solaire photovoltaïque, First Solar (FSLR -0.85%)La société Heliatek GmbH utilise le traitement par évaporation pour produire ses cellules solaires au tellurure de cadmium. Un autre exemple est celui de Heliatek GmbH, qui utilise l'évaporation thermique pour ses cellules photovoltaïques organiques commerciales.

But, of course, vapor-based deposition techniques aren’t without their challenges. Il s'agit notamment des coûts élevés, de la complexité du processus, du débit limité et des limites imposées à la taille et à la forme du substrat.

Une étude de l'année dernière a introduit une nouvelle méthode² appelée sublimation flash continue (CFS) pour surmonter les limites du dépôt en phase vapeur dans la production de films de pérovskite d'halogénure inorganique de haute qualité.

Leur technique CFS a permis un dépôt rapide et continu, réduisant le temps de fabrication et améliorant l'uniformité du film, ce qui est crucial pour la fabrication à grande échelle de dispositifs à base de pérovskite. 

Selon les résultats de l'étude, l'utilisation de films dérivés de la CFS dans des cellules solaires pratiques a permis d'obtenir des performances non seulement au niveau des films déposés en solution, mais également supérieures à celles des dispositifs perovskites tout-inorganiques déposés en phase vapeur qui ont été rapportés précédemment.

The research reported power conversion efficiencies of 15%, providing the “most efficient vapor-processed solar cells employing an inorganic halide perovskite absorber” while solving the challenges with vapor-processed perovskite solar cells, including too long processing times and the lack of continuous deposition, both of which obstruct the swift application of vapor-based approaches on an industrial scale.

Révolutionner les semi-conducteurs avec des couches de CsSnI3 vaporisées

Les processus de cristallisation du dépôt en phase vapeur impliquent des réactions solides lentes, contrairement aux réactions ioniques rapides du traitement en solution.

Il est donc difficile d'obtenir des canaux en pérovskite Sn2+ de haute qualité et à haute mobilité avec une densité de trous appropriée par dépôt en phase vapeur.

Pour surmonter ces limites, une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Youjin Reo et le professeur Yong-Young Noh du département de génie chimique de l'université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) a mis au point une technologie révolutionnaire.

L'équipe a utilisé une méthode d'évaporation thermique avec le CsSnI3 (iodure d'étain et de césium inorganique) pour fabriquer des TFT à canal p en p Sn2+-halide pérovskite, qui pourraient révolutionner la prochaine génération d'écrans et d'appareils électroniques. 

L'étudequi a été menée en collaboration avec les professeurs Huihui Zhu et Ao Liu de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine (UESTC), a été publié dans Nature Electronics³ et a bénéficié du soutien du gouvernement coréen, de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et de Samsung Display Corporation.

L'équipe a appliqué avec succès l'évaporation thermique, largement utilisée pour la fabrication de puces à semi-conducteurs et de téléviseurs OLED, pour produire des couches de semi-conducteurs CsSnI3 de haute qualité.

Cette méthode consiste à vaporiser des matériaux à haute température pour créer des couches minces sur un substrat.

En plus de déposer en phase vapeur des TFT inorganiques à canal p à base de CsSnI3, l'équipe a utilisé du chlorure de plomb (PbCl2) comme additif. L'ajout d'une petite quantité de PbCl2 a permis d'améliorer l'uniformité et la cristallinité des films minces de pérovskite. 

Le chlorure volatil a été utilisé comme initiateur de réaction, provoquant des réactions à l'état solide des composés de pérovskite évaporés, qui ont abouti à la formation d'une phase de pérovskite complète. À son tour, cette réaction a favorisé la formation de grains élargis densément emballés, en cascade. 

Outre le fait qu'il facilite la formation de films de pérovskite cohérents et de haute qualité, il module également la densité élevée des trous, ce qui les rend adaptés à l'utilisation d'une couche de canal.

The study’s optimized TFTs (CsSnI3:PbCl2 TFTs) showed long-term storage stability (over 150 days) and outstanding performance, accomplishing a hole mobility of more than 33.8 cm2 V−1 s−1 and an on/off current ratio (Ion/Ioff) greater than 108. This performance was comparable to currently commercialized n-type oxide semiconductors, which suggests rapid signal processing and low power consumption during switching.

En outre, l'équipe a fabriqué un réseau uniforme à grande échelle de TFT à base de pérovskite Sn2+-halide. Grâce à cette réalisation et à l'amélioration de la stabilité des dispositifs, l'innovation de POSTECH en collaboration avec les chercheurs de l'UESTC permet de surmonter les principales limitations techniques des méthodes basées sur les solutions.

Notamment parce qu'elle est compatible avec les outils de fabrication existants utilisés dans la production d'écrans OLED, cette technologie présente un potentiel important de réduction des coûts et de rationalisation des processus de fabrication.

Selon l'étude, les TFT déposés en phase vapeur peuvent être utilisés dans les fonds de panier des écrans à diodes électroluminescentes organiques (OLED) ou dans les dispositifs et circuits logiques pour l'intégration 3D monolithique, qui nécessitent des températures de traitement basses.

“This technology opens up exciting possibilities for the commercialization of ultra-thin, flexible, and high-resolution displays in smartphones, TVs, vertically stacked integrated circuits and even wearable electronics because low processing temperature below 300 oC.”

– Professor Yong-Young Noh

As breakthroughs in semiconductor materials continue to evolve, let’s now take a look at a major investable industry player.

Cliquez ici pour savoir si les semi-conducteurs au graphène sont enfin là.

Investir dans les semi-conducteurs

Dans le monde des semi-conducteurs, Intel (INTC -2.79%) est l'une des plus grandes entreprises, et elle est fortement investie dans le développement de technologies de pointe pour les puces. Alors que l'industrie s'oriente vers des transistors plus petits et plus efficaces, des innovations telles que les pérovskites déposées en phase vapeur intéressent vivement Intel, qui cherche des alternatives au silicium dans des applications spécifiques.

De plus, Intel travaille constamment à l'intégration de nouveaux matériaux dans la conception des puces afin d'améliorer les performances et l'architecture globale des puces. 

Intel Corporation (INTC -2.79%)

L'entreprise opère à travers trois segments. Intel Products comprend Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) et Client Computing Group (CCG). Le segment Intel Foundry en est un autre, tandis que les segments All Other couvrent Altera, Mobileye et d'autres.

The US’s largest chip maker counts major PC manufacturers like Dell, Lenovo, and HP as its clients. It also manufactures cutting-edge chips for the U.S. Department of Defense. Moreover, Intel has secured partnerships with companies like Microsoft, Cisco, SAP, and Amazon. 

Intel a une capitalisation boursière de $91,23 milliards, et ses actions se négocient actuellement à $20,93, en hausse de 4,6% depuis le début de l'année. Son bénéfice par action (TTM) est de -4,48 et son ratio cours/bénéfice (TTM) est de -4,68, mais aucun dividende n'est offert aux actionnaires.

While INTC’s performance has turned positive this year, share prices are still far off from the 2021 peak of almost $67.5. 2023 was a good one for Intel stocks. But last year was a tough one, as prices went under $19, and this year, uncertainty brought in by tariffs and a potential trade war has been affecting the broad stock market.

“The current macro environment is creating elevated uncertainty across the industry,” noted CFO David Zinsner. While the company is taking a “disciplined and prudent approach” in a call with analysts, Zinsner noted that trade policies and regulatory risks “have increased the chance of an economic slowdown, with the probability of a recession growing.”

Some positive news, however, can be seen in the Trump administration’s preparation to reverse U.S. chip export restrictions known as the ‘AI diffusion rule.’ This will end a set of limits that were imposed on semiconductor manufacturers by the Biden administration and are scheduled to take effect on May 15.

En vertu de cette règle, les pays sont organisés en trois niveaux différents, et tous sont soumis à des restrictions concernant l'envoi de puces d'IA avancées, telles que celles fabriquées par Intel et Nvidia, dans le pays sans licence.

“The Biden AI rule is overly complex, overly bureaucratic, and would stymie American innovation. We will be replacing it with a much simpler rule that unleashes American innovation and ensures American AI dominance.”

– Department of Commerce spokesperson

En ce qui concerne les résultats financiers d'Intel, le premier trimestre 2025 a connu une croissance stable en glissement annuel, les recettes s'élevant à 1T4T12,7 milliards, tandis que le bénéfice (perte) par action (BPA) était de 1T4T(0,19) et le BPA non GAAP de 1T4T0,13. Cela fait suite à l'enregistrement d'un chiffre d'affaires de 1T4T53,1 milliards pour l'ensemble de l'année 2024, en baisse de 21T3T en glissement annuel, tandis que le BPA était de 1T4T(4,38) et le BPA non GAAP de 1T4T(0,13).

Le ralentissement devrait se poursuivre au prochain trimestre, Intel prévoyant un chiffre d'affaires compris entre 11,2 et 12,4 milliards de dollars. Toutefois, l'entreprise a annoncé son intention de réduire ses dépenses au cours de l'année à venir, la première sous la direction de Lip-Bu Tan. Ses dépenses d'exploitation pour 2025 devraient s'élever à 1T4T17 milliards, et celles pour 2026 à 1T4T16 milliards.

“The first quarter was a step in the right direction, but there are no quick fixes as we work to get back on a path to gaining market share and driving sustainable growth,” said Tan, who’s a investi dans des centaines d'entreprises technologiques chinoises. Under him, the company is “taking swift actions to drive better execution and operational efficiency while empowering our engineers to create great products.”

Il est donc clair qu'Intel traverse une période difficile. Outre des revenus en baisse et des performances commerciales insatisfaisantes, l'entreprise perd des parts de marché et ses investissements dans le secteur des fonderies n'ont pas encore donné de résultats significatifs. Intel a également connu des échecs d'exécution lors du lancement de nouveaux produits.

Mais une restructuration agressive sous la nouvelle direction, qui pourrait se traduire par des licenciements, des spéculations autour d'une scission ou de la vente d'une participation dans l'opération Foundry à TSMC, et la possibilité de retrouver son leadership avec Intel 18A, qui a déjà obtenu le soutien de Microsoft et est également envisagé par Nvidia et Google, peuvent aider Intel à faire un retour significatif, même si l'exécution sera critique ici.

Dernières nouvelles d'Intel Corporation

Conclusion

Les semi-conducteurs sont à la base de l'électronique moderne. Et avec la demande d'appareils moins chers, plus rapides et plus petits, l'innovation en matière de matériaux est devenue plus importante que jamais.

Dans ce contexte, la percée réalisée par la dernière étude présente un énorme potentiel pour bouleverser les technologies conventionnelles de transistors à couche mince. Les progrès réalisés dans le domaine des transistors à couche mince en pérovskite déposée en phase vapeur ont permis d'améliorer la stabilité thermique et la compatibilité avec les méthodes de fabrication d'OLED existantes, ce qui laisse entrevoir un avenir prometteur pour l'intégration de semi-conducteurs à base de pérovskite dans l'électronique flexible et en 3D. 

Grâce à ces innovations continues, nous progressons vers un avenir où les appareils intelligents seront très compacts, économes en énergie et flexibles.

Cliquez ici pour obtenir une liste des meilleures actions dans le domaine des équipements de semi-conducteurs.

Études référencées :

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa-Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Lead-free semiconductors: Phase-evolution and superior stability of multinary tin chalcohalides. 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). Continuous flash sublimation of inorganic halide perovskites: overcoming rate and continuity limitations of vapor deposition. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al (2025). Vapour-deposited high-performance tin perovskite transistors. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8