1. ظهور الترانزستورات الحرارية

حقق الترانزستور الحراري الثوري الذي طوره فريق بحث في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA)، تقدمًا تكنولوجيًا مذهلاً. إنه يحمل إمكانات لا مثيل لها في التصميم على المستوى الذري والهندسة الجزيئية للإدارة الحرارية لرقائق الكمبيوتر.

يستخدم هذا النوع الجديد من الترانزستور الحراري ذو الحالة الصلبة تأثيرات المجال الكهربائي للتحكم بدقة في حركة الحرارة داخل مكونات أشباه الموصلات. وهو يحمل إمكانات لا مثيل لها في التصميم على المستوى الذري والهندسة الجزيئية للإدارة الحرارية لرقائق الكمبيوتر، بينما يُظهر أيضًا توافقًا ممتازًا مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات الحالية.

حقق هذا الترانزستور سرعة تحويل قياسية تتجاوز 1 تيراهيرتز ويوفر إمكانية تعديل بنسبة 1300% في التوصيل الحراري، متجاوزًا القيود السابقة في تعديل التوصيل الحراري.

للتحقق من صحة هذه التقنية، تم استخدام واجهات جزيئية ذاتية التجميع لضبط المقاومة الحرارية بدقة عبر مجال كهربائي، مما يوضح التحكم في حركة الحرارة.

لا يمثل هذا الابتكار التكنولوجي القابل للتطوير قفزة كبيرة في تصنيع الرقائق والأداء فحسب، بل يحمل أيضًا وعدًا بتعزيز الإدارة الحرارية على المستوى الجزيئي، وربما يمتد إلى عالم الخلايا الحية.

يتم توفير الدعم الفني من قبل مرفق أبحاث الإلكترونيات النانوية بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وCNSI، مع موارد المعلومات من قسم البحث والتعليم الرقمي بمكتبة جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس والنظام البيئي المنسق للبنية التحتية للشبكة المتقدمة التابع لمعهد البحث الرقمي والتعليم.

2. ترقيات لآلات الطباعة الحجرية EUV الخاصة بشركة ASML

في عام 2023، قامت ASML بتسليم أول ماسح ضوئي High-NA EUV، Twinscan EXE:5000، إلى Intel. بدأ التطوير التعاوني لهذا الجهاز في عام 2018. وتخطط Intel لنشر Twinscan EXE:5200 من الدرجة التجارية للإنتاج بكميات كبيرة في عام 2025.

تضمن عدسة 0.55 NA للماسح الضوئي High-NA EUV دقة 8 نانومتر، وهو أمر بالغ الأهمية لإنتاج الرقائق المتقدمة بدقة 3 نانومتر وما بعدها. وباعتبارها أول شركة تتبنى هذه المعدات المتطورة، اكتسبت إنتل ميزة استراتيجية في وضع معايير الصناعة، ومن المحتمل أن تتفوق على منافسيها Samsung وTSMC في المستقبل.

يتميز الماسح الضوئي High-NA بقدرات فريدة، حيث انخفض حجم الشعاع إلى النصف مرة أخرى، مما يستلزم استثمارات كبيرة في البنية التحتية. ويعد اعتماد إنتل المبكر لهذه التكنولوجيا الأحدث بمثابة خطوة تحضيرية حاسمة لنشر تقنيات تصنيع أكثر تقدمًا. تلتزم ASML بإنتاج 20 ماسحًا ضوئيًا بتقنية High-NA EUV سنويًا بحلول عام 2027-2028، مما يجعل هذه التكنولوجيا بمثابة حجر الزاوية للتقدم المستقبلي. تهدف إنتل إلى ترسيخ مكانتها كشركة رائدة في الصناعة.

3. الرقائق المصممة بالذكاء الاصطناعي

تزعم ورقة بحثية مثيرة للجدل نشرتها شركة جوجل حدوث تقدم كبير في الذكاء الاصطناعي لتصميم الرقائق، مما أدى إلى إرسال موجات صادمة عبر الصناعة.

تدعي شركة جوجل أن تقنية الذكاء الاصطناعي الخاصة بها قد ساهمت في تسريع التخطيط لوحدات المعالجة الأساسية لشريحة الذكاء الاصطناعي الخاصة بها، حيث أكملت المهمة في أقل من ست ساعات، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات الخبراء البشريين.

أثارت شريحة TPU v5 الجدل. تدعي جوجل أن هدفها ليس استبدال المصممين البشريين، بل إثبات أن الذكاء الاصطناعي يمكنه التعاون في عملية تصميم الرقائق. (يشعر الأمريكيون أيضًا بالقلق من استيلاء الذكاء الاصطناعي على وظائفهم، وتقول جوجل إنهم يقومون بالتجربة فقط ولن يستخدموه فعليًا. هل تصدقهم؟)

وعلى الرغم من شكوك الباحثين النظراء حول صحة هذه الدراسة والتحديات التي لا تزال قائمة، فإنها تلعب دورًا حاسمًا في دفع الابتكار التكنولوجي. بمجرد نضوج التكنولوجيا، يصبح مشهد صناعة تصميم الرقائق جاهزًا لتحول كبير.

4. تقنية إمداد الطاقة العكسية للرقائق

تقدم إنتل بحذر تقنية جديدة، PowerVia، إلى جانب إطلاق RibbonFET. يستخدم PowerVia توصيل الطاقة من الجانب الخلفي عن طريق وضع وصلات الطاقة في الجزء السفلي من السيليكون، مما يؤدي إلى زيادة التردد بنسبة 6%، وتصميمات أكثر إحكاما، وتقليل تبديد الطاقة بنسبة 30%.

تشير الاختبارات إلى عدم وجود زيادة في التكلفة ولا انخفاض في الموثوقية. تتضمن عملية التصنيع مقياس النانو عن طريق الحفر (TSV)، وربط الرقائق الحاملة، وإنشاء وصلات طاقة في الجزء السفلي من الشريحة. وعلى الرغم من التعقيد الإضافي، حققت إنتل وفورات في التكاليف من خلال تحسين طبقة M0 بدون توصيلات الطاقة.

تم دمج PowerVia بنجاح في عملية إنتاج Intel، مما مهد الطريق لعقدة 20A مع ترانزستورات RibbonFET في عام 2024. وهذا التقدم يمكّن Intel من التفوق على المنافسين مثل TSMC وSamsung في ترانزستورات صفائح النانو وتوصيل الطاقة الخلفية.

5. رقاقة الليزر المتكاملة

شهدت الدوائر الضوئية المتكاملة (PICs) تطبيقًا واسع النطاق في أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية عالية السرعة والتطبيقات مثل LIDAR. ومع ذلك، يظل دمج الليزر في رقائق السيليكون الضوئية يمثل تحديًا كبيرًا بسبب كفاءة انبعاث السيليكون المحدودة. ويقود مركز أبحاث الإلكترونيات النانوية البلجيكي، Imec، هذا المسعى البحثي. في عملية تسمى ربط الرقاقة القلابة، تتم محاذاة قوالب الليزر بدقة بدقة أقل من الميكرون، ويتم نقلها وربطها على رقائق الضوئيات السيليكونية.

حققت عملية الضوئيات السيليكونية على مستوى الرقاقة كفاءة اقتران تصل إلى 80%، مع وصول بعض أمثلة التطبيقات إلى نسبة مرضية تصل إلى 60%. وهذا يدل على فعالية هذا النهج.

هناك طرق مختلفة لنقل قوالب الليزر. أحد الأساليب هو الطباعة بالنقل الدقيق، والتي تستخدم المواد اللاصقة أو الروابط الجزيئية للتجميع والاقتران السريع. تعتبر هذه الطريقة ذات قيمة عالية في السيناريوهات عالية الإنتاجية حيث يلزم دمج عدد كبير من مكونات III-V. يعد ربط الرقاقة تقنية أخرى لربط المواد III-V برقائق السيليكون، مما يسمح بالمعالجة المتوازية لأجهزة متعددة ويوفر كفاءة أعلى للواجهات الضوئية.

إن تقنية Imec عبارة عن تكامل متجانس، والمعروف أيضًا باسم Nano Ridge Engineering (NRE)، وهو ما يمثل منهجًا متطورًا. تستخدم هذه الطريقة حبس الخندق للحد من العيوب، بهدف تحقيق نمو خالٍ من العيوب للمواد III-V على السيليكون.

تمكّن تقنية NRE من شركة Imec من إنتاج الثنائيات الضوئية عالية الجودة القائمة على GaAs على خط إنتاج السيليكون بقطر 300 مم.

توفر المعالجة بالرقاقة القلابة البساطة والمرونة، لكن طبيعتها التسلسلية تحد من كفاءة الإنتاج. في المقابل، فإن الطباعة بالنقل الجزئي وربط الرقاقات، على الرغم من أنها تتطلب تكاليف أعلى، تظهر إنتاجية أعلى وتكلفة أقل محتملة في التطبيقات التي تتطلب أشعة ليزر متعددة لكل فوتون IC. يمثل التكامل المتجانس، وخاصة NRE، اتجاهًا واعدًا من خلال معالجة التحدي الأساسي المتمثل في النمو الخالي من العيوب مباشرة على السيليكون للمكونات الأساسية. ومع نشر هذه العملية والنهوض بها، فإنها تستعد لتقديم خدمة أفضل لاحتياجات التطبيقات المختلفة في مجال ضوئيات السيليكون.

6. اندماج الفوتون

يعد الباحثون في مختبر Congreve بجامعة ستانفورد رائدين في مجال التكنولوجيا الضوئية، مع التركيز على تحويل التردد، والذي يحول فوتونين منخفضي الطاقة إلى فوتون واحد عالي الطاقة. باستخدام طريقة الإبادة الثلاثية الثلاثية والاستفادة من خصائص التحسس الثلاثي للمعادن الثقيلة مثل البلاديوم أو الإيريديوم أو البلاتين، إلى جانب المواد القابلة للإثارة مثل الروبرين، نجح الفريق في تحقيق انبعاث فعال للفوتونات عالية الطاقة.

تقوم هذه العملية بتحويل الطول الموجي للضوء إلى الطول الموجي الذي يمكن أن تمتصه الخلايا الشمسية السيليكونية، مما يؤدي بشكل أساسي إلى تغيير لون الضوء (تقنية تغيير اللون). وقد تم تطبيق هذه التقنية لتعزيز كفاءة الطاقة الشمسية، ومن المحتمل زيادتها بنسبة 15-20%.

بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التجارب البحثية قدرة الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية التحويل، مما يسمح بمعالجة دقيقة للراتنج في نقاط محددة باستخدام أشعة ليزر منخفضة الطاقة. وهذا يوفر إمكانيات جديدة للتصنيع الإضافي. يمكن لهذه الليزرات منخفضة الطاقة أن تطبع بسرعة الأجسام على المقياس النانوي بالتوازي، وتتغلب على القيود الحالية لدقة الطباعة.

لا تعالج هذه التكنولوجيا التحويلية التحديات في مجال الطاقة الشمسية والطباعة ثلاثية الأبعاد فحسب، بل تبشر أيضًا بالخير في العديد من التطبيقات، بما في ذلك تصوير الأنسجة العميقة، وعلم البصريات الوراثي، وأنظمة الرؤية الليلية، وحلول مكافحة التزييف. اكتشف الباحثون تطبيق تقنية تحويل تردد الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء لتصوير الأنسجة العميقة وعلم البصريات الوراثي وتطبيقات التفاعل الكيميائي الموضعي داخل الأنسجة الحية.

يُظهر عمل مختبر Congreve الإمكانات المتنوعة والتحويلية لتقنية تحويل التردد عبر مختلف الصناعات، مما يمثل فقط بداية تطبيقاتها المحتملة.

7. مسرع الإلكترون على نطاق الرقاقة

حقق الفيزيائيون في جامعة إرلانجن-نورمبرغ تقدمًا كبيرًا في مسرعات الإلكترون بحجم الرقاقة. قام الفريق بتصنيع معجل على شريحة باستخدام مواد عازلة، مما أدى إلى إنشاء قناة بعرض 225 نانومتر وطول 0.5 ملم. ومن خلال استخدام نبضات ليزر بالأشعة تحت الحمراء موقوتة بدقة و733 عمودًا من السيليكون، يبلغ ارتفاع كل منها 2 ميكرومتر، تمكنوا من زيادة طاقة الإلكترون بنسبة مذهلة بلغت 43%.

يمثل هذا قفزة كبيرة إلى الأمام في مجال فيزياء المسرعات. يمكن بناء مسرعات الإلكترون النانوية الضوئية باستخدام تقنيات الغرف النظيفة القياسية، مثل الطباعة الحجرية ذات الشعاع الإلكتروني. ويهدف الباحثون إلى تطوير مسرعات مدمجة لاستكشاف التطبيقات في مصادر ضوء السنكروترون، وأشعة ليزر الإلكترون الحر، والبحث عن المادة المظلمة خفيفة الوزن.

8. مواد جديدة لأشباه الموصلات عالية السرعة

اكتشف العلماء ما يُزعم أنه مادة أشباه الموصلات الأسرع والأكثر كفاءة حتى الآن، Re6Se8Cl2. وتتكون هذه المادة من الرينيوم والسيلينيوم والكلور، وتشكل مجموعات تعرف باسم "الذرات الفائقة". تخلق هذه الذرات الفائقة بنية فريدة من نوعها حيث تتفاعل الإكسيتونات المرتبطة (أزواج ثقب الإلكترون) مع الفونونات بدلاً من حالات التشتت، مما يؤدي إلى ظهور أشباه جسيمات جديدة تسمى بولارونات الإكسيتون الصوتية.

فيما يلي بعض الخصائص الرئيسية لأشباه الموصلات الفائقة الجديدة:

★ يُظهر Re6Se8Cl2 حركة إكسيتون باليستية مستدامة في درجة حرارة الغرفة، مع سرعة حركة بولارونات الإكسيتون الصوتية ضعف سرعة حركة الإلكترونات في السيليكون.

★ على عكس أشباه الموصلات التقليدية حيث تنتشر الإلكترونات على مسافات قصيرة، فإن بولارونات الإكسيتون في Re6Se8Cl2 تجتاز عدة ميكرومترات خلال نانو ثانية، مما يدل على أداء سرعة استثنائي.

★ يعمل هذا أشباه الموصلات بالاعتماد على التحكم في الضوء بدلا من التيار الكهربائي، مما يحقق سرعات معالجة في نطاق الفيمتو ثانية، وهو أسرع بكثير من الأجهزة الإلكترونية ذات نطاق جيجاهيرتز المتوفرة حاليا.

★ Re6Se8Cl2 هي مادة فان دير فال وجزء من عائلة أشباه الموصلات الفائقة الذرية. ومع ذلك، يعتبر الرينيوم عنصرًا نادرًا، لذلك يبحث الباحثون عن مواد بديلة ذات خصائص مماثلة.

★ تقدم بولارونات الإكسيتون الصوتية طريقة جديدة لتحقيق نقل الطاقة بعيد المدى في المواد غير التقليدية، وتوسيع نطاق تطبيقها إلى ما هو أبعد من استخدامات أشباه الموصلات التقليدية.

★ يمكن أن يكون استخدام الإكسيتونات بدلاً من الإلكترونات بمثابة أجهزة كشف ضوئي فعالة أو العثور على تطبيقات في الحوسبة لتعزيز كفاءة الطاقة والأداء. وتشمل الأجهزة المحتملة "الترانزستورات الباليستية".

يؤكد الباحثون أنه على الرغم من أن الإكسيتونات تحمل المعلومات والطاقة مثل الإلكترونات، إلا أنها قد لا تكون متوافقة بشكل مباشر مع أجهزة صناعة أشباه الموصلات الحالية. تفتح هذه النتائج آفاقًا جديدة لتصميم أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة بوظائف فريدة.

هناك العديد من المفاهيم الجديدة هنا، لذلك دعونا نضيف بعض التوضيحات:

الإكسيتونات

الإكسيتون هو شبه جسيم يستخدم في فيزياء الحالة الصلبة لوصف نظام يتفاعل فيه الإلكترون والثقب (شواغر موجب الشحنة) من خلال قوى كولوم داخل مادة بلورية.

فونونات

الفونون هو الوحدة الكمية لاهتزازات الشبكة، ويمثل أصغر كمية من الطاقة المرتبطة بالوضع الطبيعي للاهتزاز في الشبكة البلورية، كما هو موصوف في ميكانيكا الكم.

الذرات الفائقة

الذرات الفائقة هي وحدات هيكلية مستقرة تتكون من عدة ذرات تظهر خصائص مشابهة لتلك الخاصة بالذرات المفردة. تختلف خواصها الفيزيائية والكيميائية باختلاف عدد الذرات المكونة لها وبنيتها وتركيبها.

أشباه الجسيمات

شبه الجسيم هو حالة جديدة تشبه الجسيم تتشكل مؤقتًا في ظل ظروف محددة بسبب التفاعلات، وتُظهر خصائص جماعية تختلف عن الجسيمات الأساسية العادية. على سبيل المثال، في الموصلات الفائقة، يمكن للتفاعل بين الإلكترونات والفونونات أن يشكل أزواج كوبر، وهي بوزونات مشحونة تعمل بشكل مشابه للإلكترونات التقليدية داخل الموصل الفائق. وبالتالي، يمكن اعتبار أزواج كوبر أشباه جسيمات.

9. قضايا الاستدامة في أشباه الموصلات: نيتريد الغاليوم مقابل كربيد السيليكون

نظرًا لمزايا أشباه الموصلات نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) مقارنة بتكنولوجيا السيليكون التقليدية، فإن مجال إلكترونيات الطاقة يمر بتحول كبير. في عام 2001 تقريبًا، أحدثت أشباه الموصلات المركبة القائمة على GaN تغييرًا ثوريًا في صناعة الإضاءة، حيث استحوذت سريعًا على أكثر من 50% من سوق الإضاءة LED العالمي القائم على GaN. لم يؤدي هذا التحول إلى تقليل استهلاك كهرباء الإضاءة بنسبة 30% إلى 40% فحسب، بل وضع أيضًا الأساس لتغيرات ثورية أوسع في إلكترونيات الطاقة. يساهم GaN وSiC بشكل كبير في استبدال السيليكون في تطبيقات إلكترونيات الطاقة المهمة بكفاءتهما ووظائفهما الفائقة. تقلل هذه المواد من هدر الطاقة وتجلب فوائد بيئية كبيرة.

هذه التطورات التكنولوجية الجديدة، في حين أنها تشكل صناعة أشباه الموصلات، تسلط الضوء أيضًا على مسارها التنموي للسنوات القادمة. وبما أن حدود التكنولوجيا يتم تجاوزها باستمرار، فإن الشيء الثابت الوحيد هو الابتكار الذي لا هوادة فيه.