Perovskiti Depositi a Vapore che Alimentano i Semiconduttori di Prossima Generazione

L’elettronica ha influenzato notevolmente la società moderna, non solo le telecomunicazioni e l’intrattenimento ma anche l’istruzione, l’assistenza sanitaria, i trasporti, la produzione, l’informatica e la sicurezza.

Un componente critico nei dispositivi elettrici è un semiconduttore, noto anche come chip. Un semiconduttore è un materiale che possiede alcune proprietà sia degli isolanti sia dei conduttori. Può essere modificato per soddisfare le esigenze specifiche del componente elettronico in cui è inserito. Le sue funzioni includono l’amplificazione dei segnali, il commutazione e la conversione di energia.

L’industria dei semiconduttori è focalizzata sullo sviluppo di prodotti più piccoli, più veloci e più economici e sta costantemente esplorando nuovi materiali per raggiungere questi obiettivi e far progredire la prossima generazione di dispositivi elettronici.

Esplorare i Perovskiti a Base di Stagno (Sn) Non Tossici per i Semiconduttori

Tra i semiconduttori emergenti, il perovskite metallico alogenuro ha guadagnato interesse grazie alle sue eccellenti proprietà di trasporto di carica e alla capacità di deposizione a basso costo su larga area a temperature basse.

Gli alogenuri metallici sono composti formati quando gli elementi metallo e alogeno si combinano. Esempi includono il cloruro di sodio, che è il sale, e l’esafluoruro di uranio, che è il combustibile utilizzato nei reattori nucleari.

I perovskiti sono una classe di materiali con struttura cristallina ABO3. Qui, A è un elemento delle terre rare, mentre B è un metallo di transizione. Questi materiali sono prodotti mediante decomposizione termica di acetati, nitrati e carbonati a temperature elevate tra 600 e 900 gradi Celsius.

Tra i perovskiti metallico alogenuri, i candidati a base di stagno (Sn) non tossici con la loro struttura cristallina unica sono emersi come promettenti. I semiconduttori a base di stagno sono materiali molto desiderabili per applicazioni energetiche grazie alla loro bassa tossicità e biocompatibilità.

Uno studio¹ condotto da ricercatori dell’Iowa State University si è concentrato sui chalcoalogenuri a base di stagno, che stanno venendo esplorati come semiconduttori per molteplici applicazioni. Questi vantano effettivamente proprietà optoelettroniche, mostrano una stabilità intrinsecamente elevata e un’alta efficienza di conversione energetica.

Lo studio si è focalizzato sullo sviluppo di semiconduttori multibinari a base di stagno chalcoalogenuri, utilizzando un metodo versatile in fase di soluzione, come alternative prive di piombo per applicazioni optoelettroniche. Ha convalidato che i chalcoalogenuri di stagno mostrano una notevole stabilità all’acqua in condizioni ambientali e un’eccellente resistenza al calore nel tempo rispetto ai perovskiti alogenuri. Con questo lavoro, l’obiettivo è stato quello di contribuire a progettare semiconduttori e dispositivi più stabili e biocompatibili.

TFT P-Channel ad Alte Prestazioni per Velocità ed Efficienza

Quando si tratta di perovskiti alogenuri a base di stagno (Sn) non tossici, come il cesio stagno triioduro (CsSnI3), il formamidinio stagno triioduro (FASnI3) e il metilammonio stagno triioduro (MASnI3), mostrano potenziale nello sviluppo di transistor a film sottile (TFT) p-channel ad alte prestazioni.

I TFT sono più comunemente usati nei display a cristalli liquidi (LCD) e sono la forza trainante dietro i display a pannello piatto su smartphone, tablet, laptop, desktop e TV HD.

Quando utilizziamo i nostri dispositivi, migliaia di componenti microscopici, noti come transistor, operano instancabilmente dietro le quinte, regolando le correnti elettriche per visualizzare le immagini e garantire un funzionamento fluido.

Ora, i transistor sono classificati come di tipo n (trasporto di elettroni) e di tipo p (trasporto di lacune). I dispositivi di tipo n generalmente mostrano prestazioni superiori. Ma se vogliamo ottenere calcolo ad alta velocità consumando poca energia, anche i transistor di tipo p devono raggiungere un’efficienza comparabile.

Pertanto, l’attenzione è rivolta ai transistor a film sottile p-channel ad alte prestazioni. Per produrre i TFT, solitamente un semiconduttore come il silicio o ossidi metallici e uno strato dielettrico, generalmente di materiali inorganici, vengono depositati su un substrato non conduttivo come vetro o plastica.

Ora, se vogliamo utilizzare i perovskiti come strati di canale, ovvero materiale semiconduttore, nelle applicazioni di transistor a film sottile, dobbiamo regolare la loro estrema concentrazione di lacune. Dobbiamo anche controllare il processo di cristallizzazione per estendere il tempo di scattering.

Per regolare la nucleazione e la cristallizzazione dei precursori perovskiti Sn2+-alogenuri, si utilizzano metodi di ingegneria della composizione. Questi consentono ai TFT di raggiungere alte mobilità di effetto campo delle lacune comparabili a quelle dei dispositivi policristallini a bassa temperatura, ampiamente usati nelle industrie fotovoltaiche e dell’elettronica.

La principale tecnica di deposizione usata per i film sottili perovskiti Sn2+-alogenuri è la lavorazione in soluzione, simile all’imbibizione di inchiostro nella carta. Questa tecnica consente prove di ottimizzazione rapide ed economiche.

Questo rapido progresso in laboratorio, così come le prospettive per future fabbricazioni a basso costo e ad alta produttività, sono la ragione per cui la maggior parte della ricerca sull’uso dei materiali perovskiti alogenuri nell’optoelettronica è principalmente incentrata su metodi di deposizione basati su soluzione.

Nel mondo reale, tuttavia, non è affatto così. Questo perché trasferire la tecnica dal laboratorio a un ambiente industriale è impegnativo. Quando implementata in una catena di produzione industriale optoelettronica, anche i più esperti faticano a ottenere una resa di produzione sufficiente e una riproducibilità con questo metodo.

Quindi, sebbene i perovskiti alogenuri di stagno (Sn2+) lavorati in soluzione siano validi per i TFT p-channel con prestazioni comparabili a quelle della tecnologia commerciale a polisilicio a bassa temperatura, il problema sorge non solo nella qualità costante ma anche nella scalabilità e nella commercializzazione a causa della loro bassa compatibilità con i processi di produzione esistenti per display a pannello piatto e dispositivi semiconduttori.

Le Tecniche di Deposizione a Vapore Prendono il Comando

La deposizione a vapore è emersa come alternativa alle tecniche basate su soluzione per produrre Thin-Film Transistors (TFTs).

È in realtà una tecnica popolare e leader per l’elettronica a film sottile commercializzata grazie alla sua semplicità, eccellenza nella precisione, qualità eccellente del film e compatibilità con i processi di produzione convenzionali.

Lo spessore e la morfologia del film sottile hanno un impatto critico sulle prestazioni di un dispositivo, e la deposizione a vapore consente una manipolazione precisa di questi parametri.

Sia la deposizione fisica a vapore (PVD) sia la deposizione chimica a vapore (CVD) offrono un eccellente controllo su spessore del film, composizione e proprietà.

A causa delle limitazioni delle tecniche basate su soluzione, le tecniche di deposizione a vapore sono le più comunemente usate negli ambienti industriali reali, specialmente nella produzione fotovoltaica. Per esempio, il principale fornitore di soluzioni energetiche solari PV, First Solar (FSLR ), utilizza la lavorazione a vapore per produrre le loro celle solari a tellururo di cadmio. Un altro esempio è Heliatek GmbH, che utilizza l’evaporazione termica per i loro fotovoltaici organici commerciali.

Ma, naturalmente, le tecniche di deposizione a vapore non sono prive di sfide. Queste includono costi elevati, complessità del processo, capacità produttiva limitata e limitazioni su dimensioni e forma del substrato.

Uno studio dell’anno scorso ha introdotto un metodo innovativo² chiamato sublimazione flash continua (CFS) per superare le limitazioni della deposizione a vapore nella produzione di film perovskiti alogenuri inorganici di alta qualità.

La loro tecnica CFS ha consentito una deposizione rapida e continua, riducendo i tempi di fabbricazione e migliorando l’uniformità del film, cruciale per la produzione scalabile di dispositivi basati su perovskiti.

Secondo i risultati dello studio, l’uso di film derivati tramite CFS in celle solari pratiche ha prodotto prestazioni non solo al livello dei film depositati in soluzione, ma anche superiori ai dispositivi perovskiti totalmente inorganici precedentemente riportati con deposizione a vapore.

La ricerca ha riportato efficienze di conversione energetica del 15%, fornendo le “celle solari più efficienti processate a vapore che impiegano un assorbitore perovskite alogenuro inorganico” risolvendo al contempo le sfide delle celle solari perovskiti processate a vapore, inclusi tempi di lavorazione troppo lunghi e la mancanza di deposizione continua, entrambi ostacolanti l’applicazione rapida di approcci basati su vapore su scala industriale.

Rivoluzionare i Semiconduttori con Strati di CsSnI3 Vaporizzati

I processi di cristallizzazione della deposizione a vapore coinvolgono reazioni solide lente, in contrasto con le rapide reazioni ioniche nella lavorazione in soluzione.

Ciò rende difficile ottenere canali perovskiti Sn2+ di alta qualità e alta mobilità con una densità di lacune adeguata tramite deposizione a vapore.

Per superare le limitazioni, un team di ricercatori guidato dal Dr. Youjin Reo e dal Professor Yong-Young Noh del Dipartimento di Ingegneria Chimica della Pohang University of Science and Technology (POSTECH) ha sviluppato una tecnologia rivoluzionaria.

Ciò che il team ha fatto è stato utilizzare un approccio di evaporazione termica con CsSnI3 (ioduro di cesio stagno inorganico) per fabbricare TFT perovskiti Sn2+-alogenuri p-channel, che mostrano potenziale nel rivoluzionare i display di prossima generazione e i dispositivi elettronici.

Lo studio, condotto in collaborazione con i Professori Huihui Zhu e Ao Liu dell’University of Electronic Science and Technology of China (UESTC), è stato pubblicato su Nature Electronics³ e ha ricevuto supporto dal Governo coreano, dalla National Natural Science Foundation of China e da Samsung Display Corporation.

Il team ha applicato con successo l’evaporazione termica, ampiamente usata per produrre chip semiconduttori e TV OLED, per produrre strati semiconduttori CsSnI3 di alta qualità.

Con questo metodo, i materiali vengono vaporizzati a temperature elevate per creare film sottili su un substrato.

Oltre a depositare a vapore TFT p-channel basati su CsSnI3 inorganico, il team ha usato cloruro di piombo (PbCl2) come additivo. Basta aggiungere una piccola quantità di PbCl2 per migliorare l’uniformità e la cristallinità dei film sottili perovskiti.

Il meccanismo prevedeva l’uso di cloruro volatile come iniziatore di reazione, provocando reazioni allo stato solido dei composti perovskiti evaporati, che si estendevano fino alla formazione completa della fase perovskite. Questo ha promosso la formazione di granuli ingranditi e densamente impacchettati in modo a cascata.

Oltre a facilitare la formazione di film perovskiti coerenti e di alta qualità, modula anche l’alta densità di lacune, rendendoli adatti per l’uso come strato di canale.

I TFT ottimizzati dallo studio (TFT CsSnI3:PbCl2) hanno mostrato una stabilità di conservazione a lungo termine (oltre 150 giorni) e prestazioni eccezionali, raggiungendo una mobilità delle lacune superiore a 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ e un rapporto corrente on/off (Ion/Ioff) superiore a 10⁸. Questa prestazione è comparabile ai semiconduttori ossidi di tipo n attualmente commercializzati, suggerendo una rapida elaborazione del segnale e un basso consumo energetico durante il commutazione.

Inoltre, il team ha fabbricato una matrice di TFT perovskiti Sn2+-alogenuri su larga scala e uniforme. Con questo risultato, insieme al miglioramento della stabilità del dispositivo, l’innovazione di POSTECH in collaborazione con i ricercatori di UESTC supera efficacemente le principali limitazioni tecniche dei metodi basati su soluzione.

È notevole che, poiché è compatibile con gli strumenti di produzione esistenti usati nella fabbricazione di display OLED, la tecnologia presenta un notevole potenziale per ridurre i costi e semplificare i processi di fabbricazione.

Secondo lo studio, i TFT depositati a vapore hanno il potenziale di essere utilizzati nei backplane per display a diodi organici a emissione luminosa (OLED) o in dispositivi logici e circuiti per integrazione 3D monolitica, che richiedono temperature di processo basse.

“Questa tecnologia apre entusiasmanti possibilità per la commercializzazione di display ultra-sottili, flessibili e ad alta risoluzione in smartphone, TV, circuiti integrati impilati verticalmente e persino dispositivi indossabili grazie a temperature di lavorazione inferiori a 300 °C.”

– Professor Yong-Young Noh

Man mano che le scoperte nei materiali semiconduttori continuano a evolversi, diamo ora uno sguardo a un importante attore investibile del settore.

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Investire nei Semiconduttori

Nel mondo dei semiconduttori, Intel (INTC ) è una delle più grandi aziende e investe molto nello sviluppo di tecnologie avanzate per chip. Man mano che l’industria si sposta verso transistor più piccoli ed efficienti, innovazioni come i perovskiti depositati a vapore suscitano grande interesse per Intel, che sta cercando alternative al silicio in applicazioni specifiche.

Per non parlare del fatto che Intel lavora costantemente per integrare nuovi materiali nel design dei chip per migliorare le prestazioni e l’architettura complessiva dei chip.

Intel Corporation (INTC )

L’azienda opera attraverso tre segmenti. I prodotti Intel includono Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) e Client Computing Group (CCG). Il segmento Intel Foundry è un altro, mentre tutti gli altri segmenti coprono Altera, Mobileye e altri.

Il più grande produttore di chip degli Stati Uniti conta tra i suoi clienti i principali produttori di PC come Dell, Lenovo e HP. Produce anche chip all’avanguardia per il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Inoltre, Intel ha assicurato partnership con aziende come Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP e Amazon.

Intel ha una capitalizzazione di mercato di 91,23 miliardi di dollari e le sue azioni attualmente scambiano a 20,93 $, in rialzo del 4,6 % quest’anno finora. Il suo EPS (TTM) è -4,48 e il P/E (TTM) è -4,68, ma non offre alcun rendimento da dividendo agli azionisti.

Mentre le performance di INTC sono diventate positive quest’anno, i prezzi delle azioni sono ancora molto lontani dal picco del 2021 di quasi 67,5 $. Il 2023 è stato buono per le azioni Intel. Ma l’anno scorso è stato difficile, poiché i prezzi sono scesi sotto i 19 $, e quest’anno l’incertezza generata da tariffe e da una potenziale guerra commerciale ha influenzato il mercato azionario più ampio.

“L’attuale contesto macroeconomico sta creando una notevole incertezza nell’intera industria,” ha osservato il CFO David Zinsner. Sebbene l’azienda adotti un “approccio disciplinato e prudente” in una chiamata con gli analisti, Zinsner ha notato che le politiche commerciali e i rischi normativi “hanno aumentato la probabilità di un rallentamento economico, con la probabilità di una recessione in crescita.”

Alcune notizie positive, tuttavia, si possono osservare nella preparazione dell’amministrazione Trump a invertire le restrizioni statunitensi sull’esportazione di chip note come la ‘regola di diffusione dell’AI.’ Questo metterà fine a una serie di limiti imposti ai produttori di semiconduttori dall’amministrazione Biden e previsti per entrare in vigore il 15 maggio.

Secondo questa regola, i paesi sono organizzati in tre diversi livelli, e tutti sono soggetti a restrizioni riguardo alla possibilità di spedire chip AI avanzati come quelli prodotti da Intel e Nvidia (NVDA ) senza una licenza.

“La regola AI di Biden è eccessivamente complessa, eccessivamente burocratica, e ostacolerebbe l’innovazione americana. La sostituiremo con una regola molto più semplice che libera l’innovazione americana e garantisce la dominanza dell’AI americana.”

– Department of Commerce spokesperson

Per quanto riguarda i dati finanziari di Intel, il primo trimestre del 2025 ha registrato una crescita annua piatta con ricavi pari a 12,7 miliardi di dollari, mentre l’utile (perdita) per azione (EPS) è stato $(0,19) e l’EPS non GAAP è stato 0,13 $. Questo segue i ricavi di 53,1 miliardi di dollari registrati per l’intero 2024, in calo del 2 % su base annua, mentre l’EPS era $(4,38) e l’EPS non GAAP era $(0,13).

Il rallentamento dovrebbe continuare nel prossimo trimestre, con Intel che prevede ricavi tra 11,2 miliardi e 12,4 miliardi di dollari. Tuttavia, l’azienda ha annunciato piani per ridurre le spese nell’anno a venire, i primi sotto la guida del CEO Lip‑Bu Tan. Le spese operative previste per il 2025 sono di 17 miliardi di dollari, e per il 2026 di 16 miliardi di dollari.

“Il primo trimestre è stato un passo nella giusta direzione, ma non ci sono soluzioni rapide mentre lavoriamo per tornare su una via di guadagno di quote di mercato e di crescita sostenibile,” ha detto Tan, che ha investito in centinaia di aziende tecnologiche cinesi. Sotto la sua guida, l’azienda sta “prendendo azioni rapide per migliorare l’esecuzione e l’efficienza operativa, mentre dà potere ai nostri ingegneri di creare prodotti eccellenti.”

Quindi, Intel sta chiaramente attraversando un periodo difficile. Oltre al calo dei ricavi e a una performance di mercato insoddisfacente, l’azienda sta perdendo quote di mercato, e i suoi investimenti nel business delle fonderie non hanno ancora prodotto risultati significativi. Intel ha anche avuto fallimenti di esecuzione nel lancio di nuovi prodotti.

Ma una ristrutturazione aggressiva sotto la nuova leadership, che potrebbe comportare licenziamenti, speculazioni su una scissione o la vendita di una quota dell’operazione Foundry a TSMC, e il potenziale di riconquistare la leadership con Intel 18A, che ha già ottenuto il supporto di Microsoft ed è anche considerato da Nvidia e Google, può aiutare Intel a fare un ritorno significativo, anche se l’esecuzione sarà cruciale.

Ultime Notizie su Intel Corporation

Conclusione

I semiconduttori sono la base dell’elettronica moderna. E con la domanda di dispositivi più economici, più veloci e più piccoli, l’innovazione dei materiali è diventata più importante che mai.

In questo contesto, la scoperta raggiunta dallo studio più recente mostra un enorme potenziale per sconvolgere le tecnologie tradizionali dei transistor a film sottile. I progressi nei TFT perovskiti Sn2+-alogenuri depositati a vapore hanno migliorato la stabilità termica e la compatibilità con i metodi di fabbricazione OLED esistenti, evidenziando un futuro promettente per l’integrazione di semiconduttori basati su perovskiti in elettronica flessibile e 3D.

Attraverso tali continue innovazioni, stiamo avanzando verso un futuro con dispositivi intelligenti altamente compatti, a basso consumo energetico e flessibili.

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Studi Citati:

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa-Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Semiconduttori senza piombo: evoluzione di fase e stabilità superiore dei chalcoalogenuri di stagno multibinari. 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). Sublimazione flash continua dei perovskiti alogenuri inorganici: superare le limitazioni di velocità e continuità della deposizione a vapore. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). Transistor perovskiti di stagno ad alte prestazioni depositati a vapore. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8