Vapor‑deponerte perovskitter driver neste generasjons halvledere

Elektronikk har i stor grad påvirket det moderne samfunnet, ikke bare telekommunikasjon og underholdning, men også utdanning, helsevesen, transport, produksjon, databehandling og sikkerhet.

En kritisk komponent i elektriske enheter er en halvleder, også kjent som en chip. En halvleder er et materiale som har noen av egenskapene til både isolatorer og ledere. Den kan modifiseres for å møte de spesifikke behovene til den elektroniske komponenten den er en del av. Dens funksjoner inkluderer forsterkning av signaler, switching og energikonvertering.

Halvlederindustrien fokuserer på å utvikle mindre, raskere og billigere produkter og utforsker kontinuerlig nye materialer for å oppnå disse målene og fremme neste generasjons elektroniske enheter.

Utforsking av ikke‑giftige tinn (Sn)-baserte perovskitter for halvledere

Blant nye halvledere har metall‑halid perovskitt fått oppmerksomhet takket være sine fremragende ladningstransportegenskaper og rimelige, stor‑område deponering ved lave temperaturer. 

Metallhalider er forbindelser som dannes når metall‑ og halogen‑elementer kombineres. Eksempler inkluderer natriumklorid, som er salt, og uran‑heksafluorid, som er drivstoffet som brukes i kjernekraftverk. 

Perovskitter er en klasse av materialer med en ABO3 krystallstruktur. Her er A et sjeldent jord‑element, mens B er et overgangsmetall. Disse materialene produseres ved termisk dekomponering av acetater, nitrater og karbonater ved høye temperaturer mellom 600 og 900 grader Celsius.

Blant metall‑halid perovskitter har de ikke‑giftige tinn‑ (Sn)‑baserte kandidatene med sin unike krystallstruktur vist seg som lovende. Tinn‑baserte halvledere er svært ettertraktede materialer for energiapplikasjoner på grunn av deres lave toksisitet og biokompatibilitet.

En studie¹ utført av forskere ved Iowa State University vendte seg mot tinn‑baserte kalskohalider, som utforskes som halvledere for flere anvendelser. De har faktisk optoelektroniske egenskaper, viser iboende høy stabilitet og god konverteringseffektivitet.

Studien fokuserte på utviklingen av multinary tinn‑kalskohalid‑halvledere ved bruk av en allsidig løsningsfase‑metode, som blyfrie alternativer for optoelektroniske applikasjoner. Den bekreftet at tinn‑kalskohalider viser bemerkelsesverdig vannstabilitet under normale forhold og utmerket varmebestandighet over tid sammenlignet med halid‑perovskitter. Med dette arbeidet har målet vært å bidra til å utvikle mer stabile og biokompatible halvledere og enheter.

Høy‑ytelses P‑kanal TFT‑er for hastighet og effektivitet

Når det gjelder ikke‑giftige tinn‑ (Sn)‑baserte cTin (Sn2+)-halid perovskitter, viser typer som cesium‑tinn‑triiodid (CsSnI3), formamidinium‑tinn‑triiodid (FASnI3) og metylammonium‑tinn‑triiodid (MASnI3) potensial i utviklingen av høy‑ytelses p‑kanal tynnfilm‑transistorer (TFT‑er).

TFT‑er brukes mest i flytende krystall‑skjermer (LCD‑er) og er drivkraften bak flat‑panel‑skjermer på smarttelefoner, nettbrett, bærbare PC‑er, stasjonære PC‑er og HD‑TV‑er.

Når vi bruker enhetene våre, opererer tusenvis av mikroskopiske komponenter, også kalt transistorer, utrettelig i bakgrunnen, og regulerer elektrisk strøm for å vise bilder og sikre jevn drift. 

Nå kategoriseres transistorer som n‑type (elektrontransport) og p‑type (hulltransport). n‑type enheter viser vanligvis overlegen ytelse. Men hvis vi ønsker høyhastighets‑databehandling med lavt strømforbruk, må p‑type transistorer også oppnå sammenlignbar effektivitet.

Derfor er fokuset på høy‑ytelses p‑kanal tynnfilm‑transistorer. For å produsere TFT‑er blir vanligvis en halvleder som silisium eller metall‑oksider og et dielektrisk lag, vanligvis av uorganiske materialer, deponert på et ikke‑ledende substrat som glass eller plast.

Hvis vi nå vil bruke perovskittene som kanal‑lag, altså halvledermateriale, i tynnfilm‑transistor‑applikasjoner, må vi justere deres ekstreme hullkonsentrasjon. Vi må også kontrollere krystallisasjonsprosessen for å forlenge spredningstiden. 

For å regulere nukleasjon og krystallisasjon av Sn2+-halid perovskitt‑forløpere, brukes sammensetnings‑ingeniørmetoder. De gjør det mulig for TFT‑er å oppnå høy hull‑felt‑effekt‑mobilitet på nivå med lavtemperatur‑polykristallinske enheter, som hovedsakelig brukes i sol‑fotovoltaisk‑ og elektronikkindustrien.

Den viktigste deponeringsteknikken som brukes for Sn2+-halid perovskitt‑tynne filmer er løsnings‑prosessering, som er som å suge blekk inn i papir. Denne teknikken gir raske optimaliseringstester kostnadseffektivt.

Denne raske fremgangen i laboratoriet samt utsiktene til fremtidig lavkost‑, høy‑gjennomstrøms‑fremstilling er grunnen til at mest forskning rundt bruk av halid‑perovskitt‑materialer i optoelektronikk primært er fokusert på løsnings‑baserte deponeringsteknikker.

I den virkelige verden er dette imidlertid ikke tilfelle. Det skyldes at overføring av teknikken fra laboratoriet til et industrielt miljø er utfordrende. Når den implementeres i en opto‑elektronisk industriell produksjonskjede, sliter selv de mest erfarne med å oppnå tilstrekkelig produksjonsutbytte og reproduserbarhet med denne metoden.

Så, selv om løsnings‑prosesserte tinn‑ (Sn2+)-halid perovskitter er levedyktige for p‑kanal TFT‑er med ytelse som kan sammenlignes med kommersiell lavtemperatur‑polysilikon‑teknologi, oppstår problemet ikke bare i konsistent kvalitet, men også i skalerbarhet og kommersialisering på grunn av deres lave kompatibilitet med eksisterende produksjonsprosesser for flat‑panel‑skjermer og halvleder‑enheter. 

Vapor‑baserte deponeringsteknikker tar ledelsen

Vapor‑deponering har dukket opp som et alternativ til løsnings‑baserte teknikker for å produsere tynnfilm‑transistorer (TFT‑er).

Det er faktisk en populær og ledende teknikk for kommersialisert tynnfilm‑elektronikk på grunn av sin enkelhet, presisjon, fremragende filmkvalitet og kompatibilitet med konvensjonelle produksjonsprosesser. 

Tykkelsen og morfologien til den tynne filmen har faktisk en kritisk innvirkning på en enhets ytelse, og vapor‑deponering tillater presis manipulering av disse.

Både fysisk damp‑deponering (PVD) og kjemisk damp‑deponering (CVD) gir utmerket kontroll over filmtykkelse, sammensetning og egenskaper. 

På grunn av begrensningene ved løsnings‑baserte teknikker, er vapor‑baserte deponeringsteknikker de mest brukte i faktiske industrielle miljøer, spesielt i produksjon av fotovoltaikk. For eksempel bruker den ledende PV‑solenergi‑leverandøren First Solar (FSLR ) damp‑prosessering for å produsere sine kadmium‑tellurid‑solceller. Et annet eksempel er Heliatek GmbH, som bruker termisk evaporasjon for sine kommersielle organiske fotovoltaiske produkter.

Men, selvfølgelig, er vapor‑baserte deponeringsteknikker ikke uten utfordringer. Dette inkluderer høye kostnader, prosesskompleksitet, begrenset gjennomstrømning, og begrensninger på substratstørrelse og -form.

En studie fra i fjor presenterte en ny metode² kalt kontinuerlig flash‑sublimasjon (CFS) for å overvinne begrensningene ved vapor‑deponering i produksjon av høykvalitets uorganiske halid‑perovskitt‑filmer.

Deres CFS‑teknikk muliggjorde rask og kontinuerlig deponering, reduserte produksjonstiden og forbedret filmens uniformitet, noe som er avgjørende for skalerbar produksjon av perovskitt‑baserte enheter. 

Ifølge studiens funn resulterte bruk av filmer laget via CFS i praktiske solceller i en ytelse som ikke bare var på nivå med løsnings‑deponerte filmer, men også overlegen tidligere rapporterte vapor‑deponerte helt uorganiske perovskitt‑enheter.

Forskningen rapporterte en konverteringseffektivitet på 15 %, og leverte de «mest effektive vapor‑prosesserte solcellene som bruker en uorganisk halid‑perovskitt‑absorber», samtidig som den løste utfordringene med vapor‑prosesserte perovskitt‑solceller, inkludert for lange behandlingstider og mangel på kontinuerlig deponering, som begge hindrer rask anvendelse av vapor‑baserte tilnærminger på industriell skala.

Revolusjonering av halvledere med vaporiserte CsSnI3‑lag

Krystallisasjonsprosessene ved vapor‑deponering involverer langsomme faste reaksjoner, i kontrast til raske ioniske reaksjoner i løsnings‑prosessering.

Dette gjør det utfordrende å oppnå høykvalitets, høy‑mobilitets Sn2+-perovskitt‑kanaler med egnet hull‑tetthet gjennom vapor‑deponering.

For å overvinne begrensningene har et forskerteam ledet av Dr. Youjin Reo og professor Yong‑Young Noh fra institutt for kjemisk ingeniørvitenskap ved Pohang University of Science and Technology (POSTECH) utviklet en banebrytende teknologi.

Det teamet gjorde var at de benyttet en termisk evaporasjonsmetode med CsSnI3 (uorganisk cesium‑tinn‑iodid) for å fremstille p‑kanal Sn2+-halid perovskitt‑TFT‑er, som viser potensial til å revolusjonere neste generasjons skjermer og elektroniske enheter. 

Studien, som ble samarbeidsutført med professorene Huihui Zhu og Ao Liu fra University of Electronic Science and Technology of China (UESTC), ble publisert i Nature Electronics³ og mottok støtte fra den koreanske regjeringen, National Natural Science Foundation of China, og Samsung Display Corporation.

Teamet anvendte med suksess termisk evaporasjon, som er mye brukt til å produsere halvleder‑chips og OLED‑TV‑er, for å fremstille høykvalitets CsSnI3‑halvlederlag.

Under denne metoden blir materialer vaporisert ved høye temperaturer for å lage tynne filmer på et substrat.

I tillegg til vapor‑deponering av uorganiske CsSnI3‑baserte p‑kanal TFT‑er, brukte teamet blyklorid (PbCl2) som tilsetning. Ved å tilsette en liten mengde PbCl2 forbedret de uniformiteten og krystalliniteten til perovskitt‑tynne filmer. 

Måten det fungerte på var at flyktig klorid ble brukt som en reaksjonsinitiator, noe som forårsaket faste‑tilstand‑reaksjoner av de evaporerte perovskitt‑forbindelsene, som førte til fullstendig perovskitt‑fase‑dannelse. Dette fremmet tettpakkede, forstørrede korn i en kaskade‑lignende prosess. 

I tillegg til å lette dannelsen av konsistente, høykvalitets perovskitt‑filmer, modulerer den også den høye hull‑tettheten, noe som gjør dem egnet som kanal‑lag.

Studiets optimaliserte TFT‑er (CsSnI3:PbCl2 TFT‑er) viste lang‑siktig lagringsstabilitet (over 150 dager) og enestående ytelse, med en hull‑mobilitet på mer enn 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ og et av‑på‑strømforhold (Ion/Ioff) større enn 10⁸. Denne ytelsen var sammenlignbar med nå kommersialiserte n‑type oksid‑halvledere, noe som tyder på rask signalbehandling og lavt strømforbruk under switching.

I tillegg produserte teamet en stor‑skala, uniform Sn2+-halid perovskitt‑TFT‑matrise. Med denne prestasjonen, sammen med økt enhetsstabilitet, overkommer innovasjonen fra POSTECH i samarbeid med UESTC‑forskerne effektivt de viktigste tekniske begrensningene ved løsnings‑baserte metoder.

Merkbart, fordi den er kompatibel med eksisterende produksjonsverktøy som brukes i OLED‑skjermproduksjon, har teknologien betydelig potensial til å redusere kostnader og strømlinjeforme fremstillingsprosesser.

Ifølge studien har de vapor‑deponerte TFT‑ene potensial til å brukes i bakplaner for organiske lys‑utslippende diode‑skjermer (OLED‑er) eller i logiske enheter og kretser for monolittisk 3D‑integrasjon, som krever lave prosess‑temperaturer.

“Denne teknologien åpner spennende muligheter for kommersialisering av ultratynne, fleksible og høy‑oppløselige skjermer i smarttelefoner, TV‑er, vertikalt stablede integrerte kretser og til og med bærbar elektronikk fordi prosess‑temperaturen er under 300 °C.”

– Professor Yong-Young Noh

Etter hvert som gjennombrudd innen halvledermaterialer fortsetter å utvikle seg, la oss nå se på en stor investerings‑aktør i industrien.

Klikk her for å finne ut om grafen‑halvledere endelig er her.

Investering i halvledere

I halvlederverdenen er Intel (INTC ) et av de største selskapene, og de har store investeringer i utvikling av avanserte chip‑teknologier. Etter hvert som industrien går mot mindre, mer effektive transistorer, er innovasjoner som vapor‑deponerte perovskitter av stor interesse for Intel, som ser etter alternativer til silisium i spesifikke anvendelser.

For ikke å nevne at Intel kontinuerlig arbeider med å integrere nye materialer i chip‑design for å forbedre ytelse og den overordnede chip‑arkitekturen. 

Intel Corporation (INTC )

Selskapet opererer gjennom tre segmenter. Intel Products inkluderer Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI), og Client Computing Group (CCG). Intel Foundry-segmentet er et annet, mens All Other-segmentene dekker Altera, Mobileye og andre.

USAs største chip‑produsent har store PC‑produsenter som Dell, Lenovo og HP som kunder. Den produserer også banebrytende chips for USAs forsvarsdepartement. Videre har Intel sikret partnerskap med selskaper som Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP og Amazon. 

Intel har en markedsverdi på 91,23 milliarder dollar, og aksjene handles for øyeblikket til 20,93 $, opp 4,6 % så langt i år. EPS (TTM) er -4,48, og P/E (TTM) er -4,68, men det tilbys ingen utbytteavkastning til aksjonærene.

Selv om INTCs ytelse har blitt positiv i år, er aksjekursene fortsatt langt fra toppnivået i 2021 på nesten 67,5 $. 2023 var et godt år for Intel‑aksjer. Men i fjor var det vanskelig, da prisene falt under 19 $, og i år har usikkerheten som følge av toll og en potensiell handelskrig påvirket det brede aksjemarkedet.

«Det nåværende makro‑miljøet skaper økt usikkerhet i hele bransjen,» bemerket CFO David Zinsner. Mens selskapet tar en «disiplinert og forsiktig tilnærming» i en samtale med analytikere, påpekte Zinsner at handels‑politikk og regulatoriske risikoer «har økt sjansen for en økonomisk nedgang, med sannsynligheten for en resesjon som vokser.»

Noe positivt kan imidlertid sees i Trump‑administrasjonens forberedelser på å reversere USAs chip‑eksportrestriksjoner kjent som ‘AI‑diffusjonsregelen.’ Dette vil avslutte et sett med begrensninger som ble innført på halvlederprodusenter av Biden‑administrasjonen og som skulle tre i kraft 15. mai.

Under denne regelen er land organisert i tre ulike nivåer, og alle er begrenset når det gjelder om avanserte AI‑chips som de laget av Intel og Nvidia (NVDA ) kan sendes til landet uten lisens.

“Biden‑AI‑regelen er altfor kompleks, altfor byråkratisk, og vil hemme amerikansk innovasjon. Vi vil erstatte den med en mye enklere regel som frigjør amerikansk innovasjon og sikrer amerikansk AI‑dominans.”

– Talsmann for Department of Commerce

Når det gjelder Intel‑økonomien, viste Q1 2025 flat år‑til‑år‑vekst med en inntekt på 12,7 milliarder dollar, mens inntjening (tap) per aksje (EPS) var $(0,19) og non‑GAAP EPS var $0,13. Dette kommer etter at selskapet registrerte 53,1 milliarder dollar i inntekt i hele 2024, som var ned 2 % år‑til‑år, mens EPS var $(4,38) og non‑GAAP EPS var $(0,13).

Nedgangen forventes å fortsette i neste kvartal, med Intel som forutsier inntekter mellom 11,2 milliarder og 12,4 milliarder dollar. Imidlertid har selskapet kunngjort planer om å kutte kostnader i det kommende året, den første under CEO Lip‑Bu Tan. Driftskostnadene for 2025 forventes å være 17 milliarder dollar, og for 2026 forventes de å være 16 milliarder dollar.

«Det første kvartalet var et skritt i riktig retning, men det finnes ingen raske løsninger mens vi arbeider for å komme tilbake på veien mot å vinne markedsandeler og drive bærekraftig vekst», sa Tan, som har investert i hundrevis av kinesiske teknologiselskaper. Under ham tar selskapet «raske tiltak for å oppnå bedre gjennomføring og operasjonell effektivitet samtidig som vi gir våre ingeniører mulighet til å skape flotte produkter.»

Så, Intel navigerer tydeligvis en utfordrende periode. I tillegg til synkende inntekter og utilfredsstillende markedsytelse, mister selskapet markedsandeler, og investeringene i foundry‑virksomheten har ennå ikke gitt betydelige resultater. Intel har også hatt gjennomføringsfeil ved lansering av nye produkter.

Men aggressiv restrukturering under den nye ledelsen, som kan medføre oppsigelser, spekulasjoner om en spinoff eller salg av en eierandel i Foundry‑operasjonen til TSMC, og potensialet til å gjenvinne sin ledelse med Intel 18A, som allerede har sikret støtte fra Microsoft og også vurderes av Nvidia og Google, kan hjelpe Intel med å gjøre et betydelig comeback, selv om gjennomføringen vil være kritisk.

Siste nyheter om Intel Corporation

Konklusjon

Halvledere er grunnlaget for moderne elektronikk. Og med etterspørselen etter billigere, raskere og mindre enheter har materialinnovasjon blitt viktigere enn noen gang.

Mot denne bakgrunnen viser gjennombruddet oppnådd i den siste studien et enormt potensial til å forstyrre konvensjonelle tynnfilm‑transistor‑teknologier. Fremskritt innen vapor‑deponerte Sn2+-halid perovskitt‑TFT‑er har forbedret termisk stabilitet og kompatibilitet med eksisterende OLED‑fremstillingsmetoder, og fremhever en lovende fremtid for integrering av perovskitt‑baserte halvledere i fleksibel og 3D‑elektronikk. 

Gjennom slike fortsatte innovasjoner beveger vi oss mot en fremtid med svært kompakte, energieffektive og fleksible smarte enheter.

Klikk her for en liste over de beste aksjene innen halvlederutstyr.

Studier referert til:

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa‑Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). Blyfrie halvledere: Fase‑evolusjon og overlegen stabilitet av multinary tinn‑kalskohalider. 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). Kontinuerlig flash‑sublimasjon av uorganiske halid‑perovskitter: Overvinne hastighets‑ og kontinuitetsbegrensninger ved vapor‑deponering. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). Damp‑deponerte høy‑ytelses tinn‑perovskitt‑transistorer. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8