Vapor‑deponerade perovskiter driver nästa generations halvledare

Elektronik har starkt påverkat det moderna samhället, inte bara telekommunikation och underhållning utan även utbildning, sjukvård, transport, tillverkning, databehandling och säkerhet.

En kritisk komponent i elektriska enheter är en halvledare, även kallad ett chip. En halvledare är ett material med vissa egenskaper både från isolatorer och ledare. Den kan modifieras för att möta de specifika behoven hos den elektroniska komponenten den finns i. Dess funktioner inkluderar förstärkning av signaler, omkoppling och energikonversion.

Halvledarindustrin fokuserar på att utveckla mindre, snabbare och billigare produkter och utforskar ständigt nya material för att uppnå dessa mål och driva nästa generation av elektroniska enheter framåt.

Utforska giftfria tinn (Sn)-baserade perovskiter för halvledare

Bland framväxande halvledare har metallhalidperovskiten fått uppmärksamhet tack vare sina utmärkta laddningstransportegenskaper och kostnadseffektiva, storskaliga deponeringsmöjligheter vid låga temperaturer. 

Metallhalider är föreningar som bildas när metall- och halogenatomer kombineras. Exempel inkluderar natriumklorid, som är salt, och uranhexafluorid, som är bränslet som används i kärnenergireaktorer. 

Perovskiter är en klass av material med en ABO3 kristallstruktur. Här är A ett sällsynt jordartsämne, medan B är ett övergångsmetall. Dessa material framställs genom termisk nedbrytning av acetater, nitrater och karbonater vid höga temperaturer mellan 600 och 900 grader Celsius.

Bland metallhalidperovskiter har de giftfria tinn (Sn)-baserade kandidaterna med sin unika kristallstruktur framträtt som lovande alternativ. Tinnbaserade halvledare är mycket eftertraktade material för energitillämpningar på grund av deras låga toxicitet och biokompatibilitet.

En studie¹ utförd av forskare från Iowa State University vände sig till tinnbaserade kalkohalider, som utforskas som halvledare för flera tillämpningar. De har faktiskt imponerande optoelektroniska egenskaper, uppvisar inneboende hög stabilitet och hög verkningsgrad för energikonversion.

Studien fokuserade på utvecklingen av multinary tinnkalohalidhalvledare, med en mångsidig lösningsfasmetod, som blyfria alternativ för optoelektroniska tillämpningar. Den bekräftade att tinnkalohalider uppvisar anmärkningsvärd vattentålighet under omgivningsförhållanden och utmärkt värmebeständighet över tid jämfört med halidperovskiter. Med detta arbete har målet varit att hjälpa till att konstruera mer stabila och biokompatibla halvledare och enheter.

Högpresterande P-kanal TFT:er för hastighet och effektivitet

När det gäller giftfria tinn (Sn)-baserade cTin (Sn2+)-halidperovskiter, såsom cesiumtintriiodid (CsSnI3), formamidiniumtinntriiodid (FASnI3) och metylammoniumtinntriiodid (MASnI3), visar de potential i utvecklingen av högpresterande p-kanal tunnfilmstransistorer (TFT:er).

TFT:er används mest i vätskekristallskärmar (LCD) och är drivkraften bakom platta panelskärmar på smartphones, surfplattor, bärbara datorer, stationära datorer och HD-TV.

När vi använder våra enheter arbetar tusentals mikroskopiska komponenter, så kallade transistorer, outtröttligt bakom kulisserna och reglerar elektriska strömmar för att visa bilder och säkerställa smidig funktion. 

Transistorer kategoriseras nu som n-typ (elektrontransport) och p-typ (håltransport). n-typ-enheter visar generellt överlägsen prestanda. Men om vi vill uppnå hög hastighet i beräkningar samtidigt som vi förbrukar lite energi, måste p-typ-transistorer också nå jämförbar effektivitet.

Därför fokuserar man på högpresterande p-kanal tunnfilmstransistorer. För att producera TFT:er deponeras vanligtvis en halvledare såsom kisel eller metalloxider samt ett dielektriskt lager, oftast av oorganiska material, på ett icke-ledande substrat som glas eller plast.

Om vi nu vill använda perovskiter som kanalager, alltså halvledarmaterial, i tunnfilmstransistorapplikationer, måste vi justera deras extrema håltäthet. Vi måste också kontrollera kristalliseringen för att förlänga spridningstiden. 

För att reglera nukleation och kristallisering av Sn2+-halidperovskitprekurser används metoder för sammansättningsdesign. De möjliggör för TFT:er att uppnå hög hål-fält-effektmobilitet på nivå med lågtempererade polykristallina enheter, som främst används i solcell- och elektronikindustrin.

Den huvudsakliga deponeringstekniken för Sn2+-halidperovskit tunnfilmer är lösningsbearbetning, vilket liknar att suga upp bläck i papper. Denna teknik möjliggör snabba optimeringsförsök på ett kostnadseffektivt sätt.

Den snabba utvecklingen i laboratoriet samt utsikterna för framtida lågkostnads- och högkapacitetsproduktion är anledningen till att den största delen av forskningen kring användning av halidperovskitmaterial i optoelektronik främst fokuserar på lösningsbaserade deponeringsmetoder.

I verkligheten är detta dock inte fallet alls. Det beror på att överföringen av tekniken från laboratoriet till en industriell miljö är utmanande. När den implementeras i en optoelektronisk produktionskedja har även de mest erfarna svårigheter att uppnå tillräcklig produktionsutbyte och reproducerbarhet med denna metod.

Så, även om lösningsbearbetade tinn (Sn2+)-halidperovskiter är livskraftiga för p-kanal TFT:er med prestanda jämförbar med kommersiell lågtemperaturpolysilikonteknik, uppstår problemet inte bara i konsekvent kvalitet utan också i skalbarhet och kommersialisering på grund av deras låga kompatibilitet med befintliga tillverkningsprocesser för platta panelskärmar och halvledarenheter. 

Ångbaserade deponeringstekniker tar ledningen

Ångdeponering har framträtt som ett alternativ till lösningsbaserade tekniker för att producera tunnfilmstransistorer (TFT:er).

Det är faktiskt en populär och ledande teknik för kommersialiserad tunnfilmselektronik på grund av dess enkelhet, precision, utmärkta filmkvalitet och kompatibilitet med konventionella produktionsprocesser. 

Tjockleken och morfologin hos tunnfilmen har faktiskt en kritisk inverkan på en enhets prestanda, och ångdeponering möjliggör exakt manipulering av dessa.

Både fysisk ångdeponering (PVD) och kemisk ångdeponering (CVD) erbjuder utmärkt kontroll över filmens tjocklek, sammansättning och egenskaper. 

På grund av begränsningarna med lösningsbaserade tekniker är ångbaserade deponeringstekniker de mest använda i verkliga industriella miljöer, särskilt inom tillverkning av solceller. Till exempel använder den ledande leverantören av PV-solenergi, First Solar (FSLR ), ångbearbetning för att producera sina kadmiumtelluridsolceller. Ett annat exempel är Heliatek GmbH, som använder termisk avdunstning för sina kommersiella organiska solceller.

Men naturligtvis är ångbaserade deponeringstekniker inte utan sina utmaningar. Detta inkluderar höga kostnader, processkomplexitet, begränsad genomströmning och begränsningar i substratets storlek och form.

En studie från förra året introducerade en ny metod² kallad kontinuerlig flashsublimering (CFS) för att övervinna begränsningarna i ångdeponering vid framställning av högkvalitativa oorganiska halidperovskitfilmer.

Deras CFS-teknik möjliggjorde snabb och kontinuerlig deponering, minskade tillverkningstiden och förbättrade filmens enhetlighet, vilket är avgörande för skalbar produktion av perovskitbaserade enheter. 

Enligt studiens resultat resulterade användning av filmer framställda via CFS i praktiska solceller i en prestanda som inte bara var på samma nivå som lösningsdeponerade filmer utan också överträffade tidigare rapporterade ångdeponerade helt oorganiska perovskitsolceller.

Forskningen rapporterade en verkningsgrad på 15 %, vilket ger de “mest effektiva ångbearbetade solcellerna som använder en oorganisk halidperovskitabsorberare” samtidigt som den löser utmaningarna med ångbearbetade perovskitsolceller, inklusive för långa bearbetningstider och avsaknad av kontinuerlig deponering, vilka båda hindrar snabb tillämpning av ångbaserade metoder i industriell skala.

Revolutionera halvledare med förångade CsSnI3‑lager

Kristalliseringprocesserna i ångdeponering innebär långsamma fasta reaktioner, i kontrast till snabba joniska reaktioner i lösningsbearbetning.

Det gör det till en utmaning att uppnå högkvalitativa, högmobilitets Sn2+-perovskitkanaler med lämplig håltäthet genom ångdeponering.

För att övervinna begränsningarna har ett forskarteam lett av Dr. Youjin Reo och professor Yong-Young Noh från avdelningen för kemiteknik vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH) utvecklat en banbrytande teknik.

Teamet använde en termisk avdunstningsmetod med CsSnI3 (oorganisk cesiumtinjodid) för att tillverka p-kanal Sn2+-halidperovskit TFT:er, vilka visar potential att revolutionera nästa generations skärmar och elektroniska enheter.

Studien, som genomfördes i samarbete med professorerna Huihui Zhu och Ao Liu från University of Electronic Science and Technology of China (UESTC), publicerades i Nature Electronics³ och fick stöd från den koreanska regeringen, National Natural Science Foundation of China och Samsung Display Corporation.

Teamet lyckades tillämpa termisk avdunstning, som är allmänt använd för att tillverka halvledarchip och OLED-TV:er, för att producera högkvalitativa CsSnI3‑halvledarlager.

Med denna metod förångas material vid höga temperaturer för att skapa tunnfilmer på ett substrat.

Förutom att ångdeponera oorganiska CsSnI3‑baserade p-kanal TFT:er använde teamet blyklorid (PbCl2) som tillsats. Genom att bara tillsätta en liten mängd PbCl2 förbättrade de uniformiteten och kristalliniteten hos perovskittunnfilmerna.

Det fungerade så att den flyktiga kloriden användes som en reaktionsinitierare, vilket orsakade fastfasreaktioner av de avdunstade perovskitföreningarna och ledde till fullständig perovskitfasbildning. Detta främjade i sin tur tätt packade, förstora korn i en kaskadliknande process.

Förutom att underlätta bildandet av konsekventa, högkvalitativa perovskitfilmer, reglerar den även den höga håltätheten, vilket gör dem lämpliga som kanalager.

Studien optimerade TFT:er (CsSnI3:PbCl2 TFT:er) visade långsiktig lagringsstabilitet (över 150 dagar) och enastående prestanda, med en hål-mobilitet på mer än 33,8 cm² V⁻¹ s⁻¹ och ett på/av-strömförhållande (Ion/Ioff) över 10⁸. Denna prestanda var jämförbar med nu kommersialiserade n‑typ oxidhälledare, vilket tyder på snabb signalbehandling och låg energiförbrukning vid omkoppling.

Dessutom tillverkade teamet en storskalig, enhetlig Sn2+-halidperovskit TFT‑array. Med detta resultat, tillsammans med förbättrad enhetsstabilitet, övervinner innovationen från POSTECH i samarbete med UESTC-forskare de stora tekniska begränsningarna hos lösningsbaserade metoder.

Det är anmärkningsvärt att eftersom tekniken är kompatibel med befintliga tillverkningsverktyg som används i OLED‑displayproduktion, har den stor potential att minska kostnader och förenkla tillverkningsprocesser.

Enligt studien har de ångdeponerade TFT:erna potential att användas i bakplan för organiska lysdioddisplayer (OLED) eller i logikenheter och kretsar för monolitisk 3D‑integration, vilka kräver låga process‑temperaturer.

“Denna teknik öppnar spännande möjligheter för kommersialiseringen av ultratunna, flexibla och högupplösta skärmar i smartphones, TV-apparater, vertikalt staplade integrerade kretsar och till och med bärbar elektronik eftersom bearbetningstemperaturen är under 300 °C.”

– Professor Yong-Young Noh

När genombrott inom halvledarmaterial fortsätter att utvecklas, låt oss nu titta på en stor investerbar aktör i branschen.

Klicka här för att ta reda på om grafenhalvledare äntligen är här.

Investera i halvledare

I halvledarvärlden är Intel (INTC ) ett av de största företagen och är starkt investerat i att utveckla avancerad chipteknik. När branschen går mot mindre, mer effektiva transistorer är innovationer som ångdeponerade perovskiter av stort intresse för Intel, som söker alternativ till kisel i specifika tillämpningar.

För att inte glömma arbetar Intel ständigt med att integrera nya material i chipdesign för att förbättra prestanda och den övergripande chiparkitekturen. 

Intel Corporation (INTC )

Företaget verkar genom tre segment. Intel Products inkluderar Network and Edge (NEX), Data Center and AI (DCAI) och Client Computing Group (CCG). Intel Foundry-segmentet är ett annat, medan All Other-segmenten omfattar Altera, Mobileye och andra.

USA:s största chipstillverkare räknar stora PC-tillverkare som Dell, Lenovo och HP bland sina kunder. Den tillverkar även banbrytande chip för USA:s försvarsdepartement. Dessutom har Intel säkrat partnerskap med företag som Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP och Amazon. 

Intel har ett börsvärde på 91,23 miljarder dollar, och aktierna handlas för närvarande till 20,93 $, upp 4,6 % i år hittills. Dess EPS (TTM) är -4,48 och P/E (TTM) är -4,68, men ingen utdelningsavkastning erbjuds till aktieägarna.

Även om INTC:s resultat har blivit positivt i år är aktiekurserna fortfarande långt ifrån 2021‑toppen på nästan 67,5 $. 2023 var ett bra år för Intel-aktier. Men förra året var tufft, då priserna föll under 19 $, och i år har osäkerheten som följer av tullar och ett potentiellt handelskrig påverkat den breda aktiemarknaden.

“Den nuvarande makroekonomiska miljön skapar ökad osäkerhet i hela branschen,” noterade CFO David Zinsner. Medan företaget tar ett “disciplinerat och försiktigt tillvägagångssätt” i ett samtal med analytiker, påpekade Zinsner att handelspolicyer och regulatoriska risker “har ökat risken för en ekonomisk avmattning, med sannolikheten för en recession som växer.”

Viss positiv nyhet kan dock ses i Trumps administrationens förberedelser för att upphäva USA:s chipsexportrestriktioner kända som ‘AI-diffusionsregeln’. Detta kommer att avsluta en uppsättning begränsningar som infördes på halvledartillverkare av Biden-administrationen och som är planerade att träda i kraft den 15 maj.

Enligt denna regel organiseras länder i tre olika nivåer, och alla är begränsade när det gäller om avancerade AI‑chip som de som tillverkas av Intel och Nvidia (NVDA ) kan skickas till landet utan licens.

“Biden‑AI‑regeln är alltför komplex, alltför byråkratisk och skulle hämma amerikansk innovation. Vi kommer att ersätta den med en mycket enklare regel som frigör amerikansk innovation och säkerställer amerikansk AI‑dominans.”

– talesperson för Department of Commerce

När det gäller Intels finanser visade Q1 2025 en stabil år‑till‑år‑tillväxt då intäkterna uppgick till 12,7 miljarder dollar medan vinst (förlust) per aktie (EPS) var $(0,19) och non‑GAAP EPS var 0,13 $. Detta kommer efter att intäkterna för hela 2024 uppgick till 53,1 miljarder dollar, vilket var en nedgång med 2 % år‑till‑år, medan EPS var $(4,38) och non‑GAAP EPS var $(0,13).

Avmattningen förväntas fortsätta nästa kvartal, med Intel som förutspår intäkter mellan 11,2 miljarder och 12,4 miljarder dollar. Företaget har dock annonserat planer på att skära ner kostnaderna under det kommande året, den första under VD Lip‑Bu Tan. Dess driftskostnader för 2025 förväntas bli 17 miljarder dollar, och för 2026 förväntas de bli 16 miljarder dollar.

“Det första kvartalet var ett steg i rätt riktning, men det finns inga snabba lösningar när vi arbetar för att återfå marknadsandelar och driva hållbar tillväxt,” sade Tan, som investerade i hundratals kinesiska teknikföretag. Under honom “vidtar företaget snabba åtgärder för att förbättra genomförandet och operativ effektivitet samtidigt som vi ger våra ingenjörer möjlighet att skapa fantastiska produkter.”

Så, Intel navigerar tydligt en utmanande period. Förutom minskade intäkter och otillfredsställande marknadsresultat förlorar företaget marknadsandelar, och dess investeringar i foundry‑verksamheten har ännu inte gett betydande resultat. Intel har också haft genomförandefel vid lansering av nya produkter.

Men aggressiv omstrukturering under den nya ledningen, som kan innebära uppsägningar, spekulationer kring en avknoppning eller försäljning av en andel i foundry‑verksamheten till TSMC, samt möjligheten att återta ledarskapet med Intel 18A, som redan har säkrat stöd från Microsoft och även övervägs av Nvidia och Google, kan hjälpa Intel att göra ett betydande comeback, även om genomförandet blir avgörande.

Senaste om Intel Corporation

Slutsats

Halvledare är grunden för modern elektronik. Och med efterfrågan på billigare, snabbare och mindre enheter har materialinnovation blivit viktigare än någonsin.

Mot denna bakgrund visar genombrottet i den senaste studien en enorm potential att förändra konventionella tunnfilmstransistor‑teknologier. Framsteg i ångdeponerade Sn2+-halidperovskit‑TFT:er har förbättrat termisk stabilitet och kompatibilitet med befintliga OLED‑tillverkningsmetoder, vilket pekar på en lovande framtid för integration av perovskitbaserade halvledare i flexibla och 3D‑elektroniska system.

Genom sådana fortsatta innovationer rör vi oss mot en framtid med högkompakta, energieffektiva och flexibla smarta enheter.

Klicka här för en lista över de bästa aktierna i halvledrare utrustning.

Studier som refereras:

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