Perovskites déposés par vapeur alimentant les semi-conducteurs de prochaine génération

L’électronique a grandement influencé la société moderne, pas seulement les télécommunications et le divertissement mais aussi l’éducation, les soins de santé, les transports, la fabrication, l’informatique et la sécurité.

Un composant essentiel des appareils électroniques est le semi-conducteur, également appelé puce. Un semi-conducteur est un matériau présentant certaines propriétés à la fois 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, le commutateur 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 d’appareils électroniques.

Explorer les pérovskites à base d’étain (Sn) non toxiques pour les semi-conducteurs

Parmi les semi-conducteurs émergents, la pérovskite à base de halogénure métallique suscite de l’intérêt grâce à ses excellentes propriétés de transport de charge et à sa capacité de dépôt à grande surface à faible coût et à basse température. 

Les halogénures métalliques sont des composés formés lorsque des éléments métalliques et halogènes se combinent. Des 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 avec une structure cristalline ABO3. Ici, A est un élément des terres rares, tandis que B est un métal de transition. Ces matériaux sont produits par décomposition thermique d’acétates, de nitrates et de carbonates à des températures élevées entre 600 et 900 degrés Celsius.

Parmi les pérovskites à halogénure métallique, les candidats à base d’étain (Sn) non toxiques avec leur structure cristalline unique se sont imposés comme 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.

Une étude¹ menée par des chercheurs de l’Iowa State University s’est tournée vers les chalcohalogénures à base d’étain, qui sont étudiées comme semi-conducteurs pour de multiples applications. Elles possèdent en fait des propriétés optoélectroniques, présentent une stabilité intrinsèquement élevée et une efficacité de conversion d’énergie.

L’étude s’est concentrée sur le développement de semi-conducteurs à base de chalcohalogénures d’étain multinucléaires, en utilisant une méthode polyvalente en phase solution, comme alternatives sans plomb pour les applications optoélectroniques. Elle a confirmé que les chalcohalogénures d’étain démontrent une remarquable stabilité à l’eau en conditions ambiantes et une excellente résistance à la chaleur au fil du temps comparées aux pérovskites halogénurées. Avec ce travail, l’objectif a été d’aider à concevoir des semi-conducteurs et des dispositifs plus stables et biocompatibles.

TFT à canal P haute performance pour la vitesse & efficacité

En ce qui concerne les pérovskites à halogénure d’étain (Sn) non toxiques, telles que le triiodure d’étain césium (CsSnI3), le triiodure d’étain formamidinium (FASnI3) et le triiodure d’étain méthylammonium (MASnI3), elles montrent un potentiel dans le développement de transistors à couche mince (TFT) à canal P haute performance.

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

Lorsque nous utilisons nos appareils, des milliers de composants microscopiques, appelés transistors, fonctionnent sans relâche en coulisses, régulant les courants électriques pour afficher des images et assurer un fonctionnement fluide. 

Aujourd’hui, les transistors sont classés en type n (transport d’électrons) et type p (transport de trous). Les dispositifs de type n démontrent généralement des performances supérieures. Mais si nous voulons atteindre un calcul à grande vitesse tout en consommant peu d’énergie, les transistors de type p doivent également atteindre une efficacité comparable.

Ainsi, l’accent est mis sur les transistors à couche mince à canal P haute performance. Pour fabriquer des TFT, on dépose généralement un semi-conducteur tel que le silicium ou des oxydes métalliques ainsi qu’une couche diélectrique, généralement de matériaux inorganiques, sur un substrat non conducteur comme 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 les applications de transistors à couche mince, nous devons ajuster leur concentration de trous extrême. Nous devons également contrôler le processus de cristallisation afin d’allonger le temps de diffusion. 

Pour réguler la nucléation et la cristallisation des précurseurs de pérovskite à halogénure Sn2+, des méthodes d’ingénierie de composition sont utilisées. Elles permettent aux TFT d’atteindre des mobilités de champ effectif des trous élevées, comparables à celles des dispositifs polycristallins à basse température, principalement utilisés dans les industries photovoltaïques et électroniques.

La principale technique de dépôt utilisée pour les films minces de pérovskite à halogénure Sn2+ est le traitement en solution, qui ressemble à l’absorption d’encre dans du papier. Cette technique permet des essais d’optimisation rapides à moindre coût.

Ces progrès rapides en laboratoire ainsi que les perspectives de fabrication future à faible coût et à haut débit sont la raison pour laquelle la plupart des recherches autour de l’utilisation des matériaux pérovskites à halogénure en optoélectronique sont principalement centrées sur les méthodes de dépôt basées sur la solution.

Dans le monde réel, cependant, ce n’est pas du tout le cas. En effet, transférer la technique du laboratoire à un environnement industriel est difficile. Lorsqu’elle est mise en œuvre dans une chaîne de production industrielle optoélectronique, même les plus expérimentés peinent à obtenir un rendement de production suffisant et une reproductibilité avec cette méthode.

Ainsi, bien que les pérovskites à halogénure d’étain (Sn2+) traités en solution soient viables pour les TFT à canal P avec des performances comparables à celles de la technologie polysilicium basse température commerciale, le problème réside non seulement dans la qualité constante mais aussi dans l’évolutivité et la commercialisation en raison de leur faible compatibilité avec les processus de fabrication existants pour les écrans plats et les dispositifs semi-conducteurs. 

Les techniques de dépôt à base de vapeur prennent le relais

Le dépôt par vapeur a émergé comme une alternative aux techniques basées sur la solution pour produire les Transistors à couche mince (TFT).

C’est en fait une technique populaire et dominante pour les électroniques à couche mince commercialisées en raison de sa simplicité, de son excellence en précision, de la qualité exceptionnelle des films et de sa compatibilité avec les processus de production conventionnels. 

L’épaisseur et la morphologie du film mince ont en réalité un impact critique sur les performances d’un dispositif, et le dépôt par vapeur permet de les manipuler avec précision.

Les dépôts physiques (PVD) et chimiques (CVD) offrent un excellent contrôle de l’épaisseur du film, de sa composition et de ses propriétés. 

En raison des limites des techniques basées sur la solution, les techniques de dépôt à base de vapeur sont les plus couramment utilisées dans les environnements industriels réels, notamment dans la fabrication photovoltaïque. Par exemple, le principal fournisseur de solutions d’énergie solaire photovoltaïque, First Solar (FSLR ), utilise le traitement par vapeur pour produire ses cellules solaires en tellurure de cadmium. Un autre exemple est Heliatek GmbH, qui utilise l’évaporation thermique pour ses photovoltaïques organiques commerciales.

Mais, bien sûr, les techniques de dépôt à base de vapeur ne sont pas sans défis. Cela inclut des coûts élevés, une complexité de processus, un débit limité et des restrictions concernant la taille et la forme du substrat.

Une étude de l’année dernière a introduit une méthode novatrice appelée sublimation flash continue (CFS) pour surmonter les limites du dépôt par vapeur dans la production de films pérovskites à halogénure inorganiques 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 évolutive de dispositifs à base de pérovskite.

Selon les résultats de l’étude, l’utilisation de films dérivés via CFS dans des cellules solaires pratiques a donné des performances non seulement au niveau des films déposés par solution mais également supérieures aux dispositifs pérovskites tout inorganiques déposés par vapeur précédemment rapportés.

La recherche a rapporté des rendements de conversion d’énergie de 15 %, offrant les « cellules solaires traitées par vapeur les plus efficaces utilisant un absorbeur pérovskite à halogénure inorganique », tout en résolvant les défis des cellules solaires pérovskite traitées par vapeur, notamment les temps de traitement trop longs et l’absence de dépôt continu, deux facteurs qui entravent l’application rapide des approches à base de vapeur à l’échelle industrielle.

Révolutionner les semi-conducteurs avec des couches de CsSnI3 vaporisées

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

Cela rend difficile l’obtention de canaux de pérovskite Sn2+ de haute qualité et haute mobilité avec une densité de trous appropriée via le dépôt par 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 de sciences et technologies de Pohang (POSTECH) a développé une technologie révolutionnaire.

Ce que l’équipe a fait, c’est qu’elle a utilisé une approche d’évaporation thermique avec le CsSnI3 (iodure d’étain césium inorganique) pour fabriquer des TFT à canal P à base de pérovskite à halogénure Sn2+, qui montrent un potentiel pour révolutionner les écrans de prochaine génération et les appareils électroniques. 

L’étude, qui 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 publiée dans Nature Electronics³ et a reçu le 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 fabriquer des puces semi-conductrices et des téléviseurs OLED, afin de produire des couches semi-conductrices CsSnI3 de haute qualité.

Avec cette méthode, les matériaux sont vaporisés à haute température pour créer des films minces sur un substrat.

En plus du dépôt par vapeur de TFT à canal P à base de CsSnI3 inorganique, l’équipe a utilisé du chlorure de plomb (PbCl2) comme additif. En ajoutant simplement une petite quantité de PbCl2, ils ont amélioré l’uniformité et la cristallinité des films minces de pérovskite.

Le mécanisme consistait à utiliser le chlorure volatil comme initiateur de réaction, provoquant des réactions à l’état solide des composés pérovskites évaporés, ce qui a conduit à la formation complète de la phase pérovskite. En retour, cela a favorisé la formation de grains agrandis densément empaquetés de manière en cascade. 

En plus de faciliter la formation de films pérovskites cohérents et de haute qualité, cela module également la haute densité de trous, les rendant adaptés à une utilisation comme couche de canal.

Les TFT optimisés de l’étude (TFT CsSnI3 : PbCl2) ont montré une stabilité de stockage à long terme (plus de 150 jours) et des performances exceptionnelles, atteignant une mobilité des trous supérieure à 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ et un rapport courant marche/arrêt (Ion/Ioff) supérieur à 10⁸. Ces performances étaient comparables aux semi-conducteurs à oxyde de type n actuellement commercialisés, ce qui suggère un traitement rapide des signaux et une faible consommation d’énergie lors du commutateur.

De plus, l’équipe a fabriqué un réseau de TFT à pérovskite à halogénure Sn2+ à grande échelle et uniforme. Avec cette réalisation, ainsi que l’amélioration de la stabilité des dispositifs, l’innovation de POSTECH en collaboration avec les chercheurs de l’UESTC surmonte efficacement les principales limitations techniques des méthodes basées sur la solution.

Il est notable que, étant compatible avec les outils de fabrication existants utilisés dans la production d’écrans OLED, la technologie présente un potentiel important pour réduire les coûts et rationaliser les processus de fabrication.

Selon l’étude, les TFT déposés par vapeur ont le potentiel d’être utilisés comme plans de fond pour les écrans à diode électroluminescente organique (OLED) ou dans des dispositifs logiques et des circuits pour l’intégration 3D monolithique, qui nécessitent des températures de procédé basses.

« Cette technologie ouvre des possibilités passionnantes pour la commercialisation d’écrans ultra-fins, flexibles et à haute résolution dans les smartphones, les téléviseurs, les circuits intégrés empilés verticalement et même les appareils électroniques portables, grâce à une température de traitement basse, inférieure à 300 °C. »

– Professeur Yong-Young Noh

Alors que les percées dans les matériaux semi-conducteurs continuent d’évoluer, examinons maintenant un acteur majeur investissable de l’industrie.

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Investir dans les semi-conducteurs

Dans le monde des semi-conducteurs, Intel (INTC ) est l’une des plus grandes entreprises, et elle investit massivement dans le développement de technologies de puces avancées. Alors que l’industrie se dirige vers des transistors plus petits et plus efficaces, des innovations comme les pérovskites déposés par vapeur suscitent un vif intérêt chez Intel, qui recherche des alternatives au silicium pour des applications spécifiques.

Sans oublier qu’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 )

L’entreprise opère à travers trois segments. Les produits Intel comprennent Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) et le Client Computing Group (CCG). Le segment Intel Foundry en constitue un autre, tandis que le segment All Other regroupe Altera, Mobileye et d’autres.

Le plus grand fabricant de puces des États‑Unis compte parmi ses clients les principaux fabricants d’ordinateurs PC tels que Dell, Lenovo et HP. Il fabrique également des puces de pointe pour le Département de la Défense des États‑Unis. De plus, Intel a conclu des partenariats avec des entreprises comme Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP et Amazon. 

Intel possède une capitalisation boursière de 91,23 milliards de dollars, et ses actions se négocient actuellement à 20,93 $, en hausse de 4,6 % cette année. Son BPA (TTM) est de -4,48, et son PER (TTM) est de -4,68, mais aucun rendement de dividende n’est offert aux actionnaires.

Alors que la performance d’INTC est devenue positive cette année, le cours de l’action reste loin du pic de 2021 d’environ 67,5 $. 2023 a été une bonne année pour les actions Intel. Mais l’année dernière a été difficile, les prix étant descendus sous 19 $, et cette année, l’incertitude engendrée par les tarifs douaniers et une éventuelle guerre commerciale affecte le marché boursier en général.

« Le contexte macroéconomique actuel crée une incertitude accrue dans l’ensemble du secteur », a déclaré le directeur financier David Zinsner. Bien que l’entreprise adopte une « approche disciplinée et prudente » lors d’une conférence avec les analystes, Zinsner a souligné que les politiques commerciales et les risques réglementaires « ont augmenté la probabilité d’un ralentissement économique, la probabilité d’une récession croissant ».

Cependant, quelques nouvelles positives peuvent être constatées dans la préparation de l’administration Trump à inverser les restrictions américaines sur l’exportation de puces connues sous le nom de « règle de diffusion de l’IA ». Cela mettra fin à un ensemble de limites imposées aux fabricants de semi-conducteurs par l’administration Biden et qui devaient entrer en vigueur le 15 mai.

En vertu de cette règle, les pays sont classés en trois niveaux différents, et tous sont restreints quant à la possibilité d’expédier des puces d’IA avancées comme celles fabriquées par Intel et Nvidia (NVDA ) sans licence.

« La règle d’IA de Biden est trop complexe, trop bureaucratique, et freinerait l’innovation américaine. Nous la remplacerons par une règle beaucoup plus simple qui libérera l’innovation américaine et garantira la domination américaine en IA. »

– porte-parole du Département du Commerce

En ce qui concerne les finances d’Intel, le premier trimestre 2025 a enregistré une croissance annuelle stable avec un chiffre d’affaires de 12,7 milliards de dollars, tandis que le bénéfice (perte) par action (BPA) était de -0,19 $ et le BPA non GAAP était de 0,13 $. Cela fait suite à un chiffre d’affaires de 53,1 milliards de dollars pour l’ensemble de 2024, en baisse de 2 % en glissement annuel, tandis que le BPA était de -4,38 $ et le BPA non GAAP de -0,13 $.

Le ralentissement devrait se poursuivre au prochain trimestre, Intel prévoyant un chiffre d’affaires compris entre 11,2 milliards et 12,4 milliards de dollars. Cependant, l’entreprise a annoncé son intention de réduire les dépenses l’année prochaine, la première sous la direction du PDG Lip‑Bu Tan. Ses dépenses d’exploitation pour 2025 devraient s’élever à 17 milliards de dollars, et celles pour 2026 à 16 milliards de dollars.

« Le premier trimestre a été un pas dans la bonne direction, mais il n’existe pas de solutions rapides alors que nous travaillons à revenir sur la voie de la conquête de parts de marché et de la croissance durable, » a déclaré Tan, qui a investi dans des centaines d’entreprises technologiques chinoises. Sous sa direction, l’entreprise « prend des mesures rapides pour améliorer l’exécution et l’efficacité opérationnelle tout en donnant à nos ingénieurs les moyens de créer d’excellents produits. »

Ainsi, Intel navigue clairement dans une période difficile. En plus d’une baisse du chiffre d’affaires et d’une performance de marché insatisfaisante, 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.

Cependant, une restructuration agressive sous la nouvelle direction, qui pourrait entraîner des licenciements, des spéculations autour d’une scission ou de la vente d’une participation de l’opération Foundry à TSMC, ainsi que le potentiel de regagner son leadership avec l’Intel 18A, qui a déjà obtenu le soutien de Microsoft et attire également l’attention de Nvidia et Google, peut aider Intel à réaliser un retour significatif, bien que l’exécution sera cruciale ici.

Dernières nouvelles sur Intel Corporation

Conclusion

Les semi-conducteurs sont le fondement de l’électronique moderne. Et avec la demande de dispositifs moins chers, plus rapides et plus petits, l’innovation matérielle est devenue plus importante que jamais.

Dans ce contexte, la percée réalisée par la dernière étude montre un énorme potentiel pour perturber les technologies de transistors à couche mince conventionnels. Les avancées des TFT à pérovskite à halogénure Sn2+ déposés par vapeur ont amélioré la stabilité thermique et la compatibilité avec les méthodes de fabrication OLED existantes, soulignant un avenir prometteur pour l’intégration de semi-conducteurs à base de pérovskite dans l’électronique flexible et 3D. 

Grâce à ces innovations continues, nous progressons vers un avenir avec des appareils intelligents hautement compacts, économes en énergie et flexibles.

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Études référencées :

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa-Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Semi-conducteurs sans plomb: évolution de phase et stabilité supérieure des chalcohalogénures d’étain multinucléaires. 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). Sublimation flash continue des pérovskites à halogénure inorganiques: surmonter les limitations de vitesse et de continuité du dépôt par vapeur. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). Transistors à pérovskite d’étain haute performance déposés par vapeur. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8