Vapor‑gedepositeerde Perovskieten die de volgende generatie halfgeleiders aandrijven

Elektronica heeft de moderne samenleving sterk beïnvloed, niet alleen telecommunicatie en entertainment, maar ook onderwijs, gezondheidszorg, transport, productie, computergebruik en beveiliging.

Een cruciaal onderdeel in elektrische apparaten is een halfgeleider, ook wel een chip genoemd. Een halfgeleider is een materiaal met enkele eigenschappen van zowel isolatoren als geleiders. Het kan worden aangepast om te voldoen aan de specifieke eisen van het elektronische onderdeel waarin het zich bevindt. De functies omvatten signaalversterking, schakelen en energieomzetting.

De halfgeleiderindustrie richt zich op het ontwikkelen van kleinere, snellere en goedkopere producten en onderzoekt voortdurend nieuwe materialen om deze doelen te bereiken en de volgende generatie elektronische apparaten vooruit te helpen.

Verkenning van Niet-giftige Tin (Sn)-gebaseerde Perovskieten voor Halfgeleiders

Onder de opkomende halfgeleiders krijgt de metaalhalide‑perovskiet steeds meer aandacht dankzij zijn uitstekende ladingstransport‑eigenschappen en goedkope, grootschalige depositie bij lage temperaturen. 

Metaalhaliden zijn verbindingen die ontstaan wanneer metaal‑ en halogeen elementen combineren. Voorbeelden zijn natriumchloride, oftewel zout, en uraniumhexafluoride, de brandstof die in kernenergiereactoren wordt gebruikt. 

Perovskieten vormen een klasse van materialen met een ABO3 kristalstructuur. Hierbij is A een aardmetaal en B een overgangsmetaal. Deze materialen worden geproduceerd door thermische ontleding van acetaten, nitraten en carbonaten bij hoge temperaturen tussen 600 en 900 graden Celsius.

Onder de metaalhalide‑perovskieten zijn de niet-giftige tin (Sn)-gebaseerde kandidaten met hun unieke kristalstructuur naar voren gekomen als veelbelovende opties. Tin‑gebaseerde halfgeleiders zijn zeer gewilde materialen voor energie‑toepassingen vanwege hun lage toxiciteit en biocompatibiliteit.

Een studie¹ uitgevoerd door onderzoekers van Iowa State University richtte zich op tin‑gebaseerde chalcohaliden, die worden onderzocht als halfgeleiders voor diverse toepassingen. Ze beschikken over opto‑elektronische eigenschappen, vertonen van nature een hoge stabiliteit en een hoge energieomzettingsrendement.

De studie richtte zich op de ontwikkeling van multinaire tin‑chalcohalide halfgeleiders, met behulp van een veelzijdige oplossing‑fase methode, als loodvrije alternatieven voor opto‑elektronische toepassingen. Het bevestigde dat de tin‑chalcohaliden opmerkelijke waterstabiliteit onder omgevingscondities en uitstekende hittebestendigheid over tijd vertonen in vergelijking met halide‑perovskieten. Met dit werk is het doel geweest om meer stabiele en biocompatibele halfgeleiders en apparaten te helpen ontwerpen.

High-Performance P-Channel TFT’s voor Snelheid & Efficiëntie

Als het gaat om niet-giftige tin (Sn)-gebaseerde cTin (Sn2+)-halide perovskieten, tonen stoffen zoals cesium tin triiodide (CsSnI3), formamidinium tin triiodide (FASnI3) en methylammonium tin triiodide (MASnI3) potentieel voor de ontwikkeling van high‑performance p‑channel dunne‑film transistors (TFT’s).

TFT’s worden het meest gebruikt in vloeibare‑kristal displays (LCD’s) en vormen de drijvende kracht achter vlakpaneel‑schermen op smartphones, tablets, laptops, desktops en HD‑tv’s.

Bij het gebruik van onze apparaten werken duizenden microscopische componenten, oftewel transistors, onvermoeibaar op de achtergrond, waarbij ze elektrische stromen regelen om beelden weer te geven en een soepele werking te garanderen.

Transistors worden nu gecategoriseerd als n‑type (elektronentransport) en p‑type (gatentransport). n‑type apparaten vertonen over het algemeen superieure prestaties. Maar als we hoge‑snelheidscomputing willen bereiken met laag energieverbruik, moeten p‑type transistors ook een vergelijkbare efficiëntie behalen.

Daarom ligt de focus op high‑performance p‑channel dunne‑film transistors. Om TFT’s te produceren, wordt meestal een halfgeleider zoals silicium of metaaloxiden en een dielektrische laag, doorgaans van anorganische materialen, neergelegd op een niet‑geleidend substraat zoals glas of plastic.

Als we de perovskieten als kanaallaag, oftewel halfgeleidermateriaal, in dunne‑film transistor toepassingen willen gebruiken, moeten we hun extreme gatconcentratie aanpassen. We moeten ook het kristallisatieproces beheersen om de verstrooitijd te verlengen.

Om de nucleatie en kristallisatie van Sn2+-halide perovskiet‑precursoren te reguleren, worden samenstellings‑engineeringsmethoden gebruikt. Deze stellen TFT’s in staat om hoge gat‑field‑effect‑mobiliteiten te bereiken die gelijk zijn aan die van laag‑temperatuur polycristallijne apparaten, die voornamelijk in de zonne‑fotovoltaïsche en elektronische industrieën worden gebruikt.

De belangrijkste depositietechniek die wordt gebruikt voor Sn2+-halide perovskiet dunne films is solution processing, wat vergelijkbaar is met het inzuigen van inkt in papier. Deze techniek biedt snelle optimalisatietests tegen lage kosten.

Deze snelle vooruitgang in het laboratorium, evenals de vooruitzichten voor toekomstige goedkope, high‑throughput fabricage, zijn de reden waarom het merendeel van het onderzoek naar het gebruik van halide‑perovskietmaterialen in opto‑elektronica zich voornamelijk richt op oplossing‑gebaseerde depositiemethoden.

In de praktijk is dit echter niet het geval. Dat komt doordat het overzetten van de techniek van het laboratorium naar een industriële omgeving uitdagend is. Wanneer deze wordt toegepast in een opto‑elektronische industriële productieketen, worstelen zelfs de meest ervaren partijen om voldoende productie‑opbrengst en reproduceerbaarheid met deze methode te behalen.

Dus, hoewel oplossing‑geprocessde tin (Sn2+)-halide perovskieten levensvatbaar zijn voor p‑channel TFT’s met prestaties die vergelijkbaar zijn met die van commerciële laag‑temperatuur polysilicon‑technologie, ontstaat het probleem niet alleen in consistente kwaliteit, maar ook in schaalbaarheid en commercialisatie vanwege hun lage compatibiliteit met de bestaande productieprocessen voor vlakpaneel‑displays en halfgeleider‑apparaten. 

Vapor‑gebaseerde Depositiemethoden Nemen het Stuur Over

Vapor‑depositie is naar voren gekomen als een alternatief voor oplossing‑gebaseerde technieken om dunne‑film transistors (TFT’s) te produceren.

Het is eigenlijk een populaire en toonaangevende techniek voor gecommercialiseerde dunne‑film elektronica vanwege zijn eenvoud, uitstekende precisie, voortreffelijke filmkwaliteit en compatibiliteit met conventionele productieprocessen.

De dikte en morfologie van de dunne film hebben een cruciale impact op de prestaties van een apparaat, en vapor‑depositie maakt precieze manipulatie hiervan mogelijk.

Zowel physical vapor deposition (PVD) als chemical vapor deposition (CVD) bieden uitstekende controle over filmdikte, samenstelling en eigenschappen.

Vanwege de beperkingen van oplossing‑gebaseerde technieken zijn vapor‑gebaseerde depositietechnieken het meest gebruikt in echte industriële omgevingen, vooral in de productie van fotovoltaïsche panelen. Bijvoorbeeld, toonaangevende PV‑zonne‑energieoplossingsleverancier, First Solar (FSLR ), gebruikt vapor‑verwerking om hun cadmium‑telluride zonnecellen te produceren. Een ander voorbeeld is Heliatek GmbH, die thermische verdamping gebruikt voor hun commerciële organische fotovoltaïsche producten.

Maar, natuurlijk, vapor‑gebaseerde depositietechnieken zijn niet zonder uitdagingen. Deze omvatten hoge kosten, procescomplexiteit, beperkte doorvoersnelheid en beperkingen in grootte en vorm van het substraat.

Een studie van vorig jaar introduceerde een nieuwe methode² genaamd continue flits sublimatie (CFS) om de beperkingen van vapor‑depositie bij het produceren van hoogwaardige anorganische halide‑perovskietfilms te overwinnen.

Hun CFS‑techniek maakte snelle en continue depositie mogelijk, waardoor de fabricagetijd werd verkort en de filmuniformiteit werd verbeterd, wat cruciaal is voor schaalbare productie van perovskiet‑gebaseerde apparaten.

Volgens de bevindingen van de studie leverden films verkregen via CFS in praktische zonnecellen prestaties die niet alleen op het niveau van oplossing‑gedepositeerde films lagen, maar ook superieur waren aan eerder gerapporteerde vapor‑gedepositeerde volledig anorganische perovskietapparaten.

Het onderzoek rapporteerde een energie‑omzettingsrendement van 15%, wat de “meest efficiënte vapor‑verwerkte zonnecellen met een anorganische halide‑perovskiet absorber” biedt, terwijl het de uitdagingen van vapor‑verwerkte perovskietzonnecellen oplost, waaronder te lange verwerkingstijden en het ontbreken van continue depositie, die beide de snelle toepassing van vapor‑gebaseerde benaderingen op industriële schaal belemmeren.

Revolutie in Halfgeleiders met Vapor‑gegoten CsSnI3 Lagen

De kristallisatieprocessen van vapor‑depositie omvatten langzame vaste reacties, in tegenstelling tot snelle ionische reacties bij oplossing‑verwerking.

Dit maakt het een uitdaging om hoogwaardige, hoge‑mobiliteit Sn2+-perovskietkanalen met geschikte gatdichtheid via vapor‑depositie te realiseren.

Om de beperkingen te overwinnen, heeft een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Youjin Reo en professor Yong-Young Noh van de afdeling Chemische Technologie aan de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) een baanbrekende technologie ontwikkeld.

Wat het team deed, was dat ze een thermische verdampingsmethode gebruikten met CsSnI3 (anorganisch cesium‑tin‑jodide) om p‑channel Sn2+-halide perovskiet TFT’s te fabriceren, die potentieel hebben om de volgende generatie displays en elektronische apparaten te revolutioneren.

De studie, die in samenwerking werd uitgevoerd met professoren Huihui Zhu en Ao Liu van de University of Electronic Science and Technology of China (UESTC), werd gepubliceerd in Nature Electronics³ en kreeg steun van de Koreaanse regering, de National Natural Science Foundation of China en Samsung Display Corporation.

Het team paste met succes thermische verdamping toe, een methode die veel wordt gebruikt voor de productie van halfgeleiderchips en OLED‑tv’s, om hoogwaardige CsSnI3 halfgeleiderlagen te produceren.

Bij deze methode worden materialen bij hoge temperaturen verdampt om dunne films op een substraat te vormen.

Naast het vapor‑deponeren van anorganische CsSnI3‑gebaseerde p‑channel TFT’s, gebruikte het team loodchloride (PbCl2) als additief. Door een kleine hoeveelheid PbCl2 toe te voegen, verbeterden ze de uniformiteit en kristalliniteit van de perovskietdunne films.

De werking bestond eruit dat vluchtig chloride hier werd gebruikt als reactiestarter, waardoor vaste‑toestandreacties van de verdampte perovskietverbindingen werden veroorzaakt, wat leidde tot volledige perovskietfasevorming. Dit bevorderde op zijn beurt dicht opeengepakte, vergrote korrels in een gelaagd proces.

Naast het vergemakkelijken van de vorming van consistente, hoogwaardige perovskietfilms, reguleert het ook de hoge gatdichtheid, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik als kanaallaag.

De geoptimaliseerde TFT’s uit de studie (CsSnI3:PbCl2 TFT’s) toonden een lange‑termijn opslagstabiliteit (meer dan 150 dagen) en uitstekende prestaties, met een gatmobiliteit van meer dan 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ en een aan/uit stroomverhouding (Ion/Ioff) groter dan 10⁸. Deze prestaties waren vergelijkbaar met de momenteel gecommercialiseerde n‑type oxide‑halfgeleiders, wat wijst op snelle signaalverwerking en laag energieverbruik tijdens schakelen.

Bovendien heeft het team een grootschalige, uniforme Sn2+-halide perovskiet TFT‑array gefabriceerd. Met deze prestatie, samen met het verbeteren van de apparaatstabiliteit, overwint de innovatie van POSTECH in samenwerking met UESTC‑onderzoekers effectief de belangrijkste technische beperkingen van oplossing‑gebaseerde methoden.

Opmerkelijk is dat, omdat het compatibel is met bestaande productietools die worden gebruikt bij de productie van OLED‑displays, de technologie aanzienlijke potentie biedt om kosten te verlagen en fabricageprocessen te stroomlijnen.

Volgens de studie hebben de vapor‑gedepositeerde TFT’s potentie om te worden gebruikt in backplanes voor organische licht‑emitterende diode‑displays (OLED’s) of in logische apparaten en circuits voor monolithische 3D‑integratie, die lage procestemperaturen vereisen.

“Deze technologie opent spannende mogelijkheden voor de commercialisatie van ultradunne, flexibele en hoge‑resolutie displays in smartphones, tv’s, verticaal gestapelde geïntegreerde circuits en zelfs draagbare elektronica, dankzij een lage verwerkings‑temperatuur onder 300 °C.”

– Professor Yong-Young Noh

Naarmate doorbraken in halfgeleidermaterialen blijven evolueren, laten we nu een belangrijke investeerbare speler in de industrie bekijken.

Klik hier om te ontdekken of grafeen‑halfgeleiders eindelijk hier zijn.

Investeren in Halfgeleiders

In de wereld van halfgeleiders is Intel (INTC ) een van de grootste bedrijven, en het investeert sterk in de ontwikkeling van geavanceerde chiptechnologieën. Naarmate de industrie verschuift naar kleinere, efficiëntere transistors, zijn innovaties zoals vapor‑gedepositeerde perovskieten van groot belang voor Intel, dat op zoek is naar alternatieven voor silicium in specifieke toepassingen.

Om nog maar te zwijgen, Intel werkt voortdurend aan het integreren van nieuwe materialen in chipontwerp om de prestaties en de algehele chiparchitectuur te verbeteren. 

Intel Corporation (INTC )

Het bedrijf opereert via drie segmenten. Intel Products omvatten Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) en Client Computing Group (CCG). Het Intel Foundry‑segment is een ander, terwijl All Other segmenten Altera, Mobileye en andere omvatten.

De grootste chipfabrikant van de VS telt grote pc‑fabrikanten zoals Dell, Lenovo en HP als klanten. Het vervaardigt ook geavanceerde chips voor het Amerikaanse Ministerie van Defensie. Bovendien heeft Intel partnerschappen veiliggesteld met bedrijven zoals Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP en Amazon. 

Intel heeft een marktkapitalisatie van $91,23 miljard, en de aandelen worden momenteel verhandeld tegen $20,93, een stijging van 4,6 % dit jaar tot nu toe. De EPS (TTM) is -4,48, en de P/E (TTM) is -4,68, maar er wordt geen dividendrendement aan aandeelhouders aangeboden.

Hoewel de prestaties van INTC dit jaar positief zijn geworden, liggen de aandelenkoersen nog ver onder de piek van bijna $67,5 in 2021. 2023 was een goed jaar voor Intel‑aandelen. Maar vorig jaar was moeilijk, omdat de prijzen onder $19 daalden, en dit jaar heeft de onzekerheid door tarieven en een mogelijke handelsoorlog de brede aandelenmarkt beïnvloed.

“De huidige macro‑omgeving creëert verhoogde onzekerheid in de sector,” merkte CFO David Zinsner op. Terwijl het bedrijf een “gedisciplineerde en voorzichtige aanpak” hanteert in een gesprek met analisten, noteerde Zinsner dat handels‑ en regelgevingsrisico’s “de kans op een economische vertraging hebben vergroot, met een groeiende kans op een recessie.”

Enkele positieve ontwikkelingen zijn echter te zien in de voorbereiding van de Trump‑administratie om de Amerikaanse chip‑exportbeperkingen, bekend als de ‘AI‑diffusieregel’, terug te draaien. Dit zal een reeks limieten beëindigen die door de Biden‑administratie werden opgelegd aan halfgeleiderfabrikanten en die op 15 mei in werking treden.

Volgens deze regel worden landen ingedeeld in drie verschillende tiers, en voor al deze tiers gelden beperkingen met betrekking tot of geavanceerde AI‑chips, zoals die van Intel en Nvidia (NVDA ), zonder licentie naar het land kunnen worden verzonden.

“De Biden AI‑regel is te complex, te bureaucratisch en zou de Amerikaanse innovatie belemmeren. We zullen deze vervangen door een veel eenvoudigere regel die Amerikaanse innovatie vrijmaakt en de Amerikaanse AI‑dominantie waarborgt.”

– woordvoerder van het Ministerie van Handel

Wat Intel’s financiële cijfers betreft, zag Q1 2025 een vlakke jaar‑op‑jaar groei met een omzet van $12,7 miljard, terwijl de winst (verlies) per aandeel (EPS) $(0,19) was en de non‑GAAP EPS $0,13. Dit volgt op een omzet van $53,1 miljard in heel 2024, een daling van 2 % jaar‑op‑jaar, terwijl de EPS $(4,38) was en de non‑GAAP EPS $(0,13).

De vertraging wordt naar verwachting voortgezet in het volgende kwartaal, waarbij Intel een omzet tussen $11,2 miljard en $12,4 miljard voorspelt. Het bedrijf heeft echter plannen aangekondigd om de uitgaven in het komende jaar te verlagen, de eerste onder CEO Lip‑Bu Tan. De operationele uitgaven voor 2025 worden geschat op $17 miljard, en die voor 2026 op $16 miljard.

“Het eerste kwartaal was een stap in de juiste richting, maar er zijn geen snelle oplossingen terwijl we werken aan het terugkrijgen van marktaandeel en het stimuleren van duurzame groei,” zei Tan, die geïnvesteerd heeft in honderden Chinese technologiebedrijven. Onder hem onderneemt het bedrijf “snelle acties om betere uitvoering en operationele efficiëntie te stimuleren, terwijl we onze ingenieurs in staat stellen geweldige producten te creëren.”

Dus, Intel navigeert duidelijk door een uitdagende periode. Naast dalende omzet en onbevredigende marktprestaties, verliest het bedrijf marktaandeel, en de investeringen in de foundry‑activiteiten hebben nog geen significante resultaten opgeleverd. Intel heeft ook uitvoeringsfouten gemaakt bij de lancering van nieuwe producten.

Maar agressieve herstructurering onder het nieuwe leiderschap, die kan leiden tot ontslagen, speculatie over een spin‑off of de verkoop van een belang in de Foundry‑operatie aan TSMC, en de potentie om zijn leiderschap terug te winnen met Intel 18A, dat al steun van Microsoft heeft gekregen en ook wordt bekeken door Nvidia en Google, kan Intel helpen een betekenisvolle comeback te maken, hoewel uitvoering hier cruciaal zal zijn.

Laatste nieuws over Intel Corporation

Conclusie

Halfgeleiders vormen de basis van moderne elektronica. En met de vraag naar goedkopere, snellere en kleinere apparaten is materiaalinnovatie belangrijker dan ooit.

Tegen deze achtergrond toont de doorbraak die is bereikt door de nieuwste studie een enorm potentieel om conventionele dunne‑film transistor‑technologieën te verstoren. Vooruitgang in vapor‑gedepositeerde Sn2+-halide perovskiet‑TFT’s heeft de thermische stabiliteit en compatibiliteit met bestaande OLED‑fabricagemethoden verbeterd, wat een veelbelovende toekomst benadrukt voor de integratie van perovskiet‑gebaseerde halfgeleiders in flexibele en 3D‑elektronica. 

Door dergelijke voortdurende innovaties bewegen we ons naar een toekomst met zeer compacte, energie‑efficiënte en flexibele slimme apparaten.

Klik hier voor een lijst van de top halfgeleider‑apparatuuraandelen.

Studies Gerefereerd:

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa-Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Lood‑vrije halfgeleiders: Fase‑evolutie en superieure stabiliteit van multinaire tin‑chalcohaliden. 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). Continue flits sublimatie van anorganische halide‑perovskieten: het overwinnen van snelheids‑ en continuïteitsbeperkingen van vapor‑depositie. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

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