1. Die Entstehung thermischer Transistoren

Ein revolutionärer thermischer Transistor, der von einem Forschungsteam der University of California, Los Angeles (UCLA) entwickelt wurde, hat bahnbrechende technologische Fortschritte erzielt. Er birgt beispielloses Potenzial im Bereich des Designs auf atomarer Ebene und der molekularen Technik für das Wärmemanagement von Computerchips.

Dieser neue Typ von thermischen Festkörpertransistoren nutzt elektrische Feldeffekte, um die Wärmebewegung innerhalb von Halbleiterbauelementen präzise zu steuern. Er bietet beispielloses Potenzial im Bereich des Designs auf atomarer Ebene und der molekularen Technik für das Wärmemanagement von Computerchips und weist gleichzeitig eine hervorragende Kompatibilität mit aktuellen Halbleiterherstellungsprozessen auf.

Dieser Transistor hat eine rekordverdächtige Schaltgeschwindigkeit von über 1 Terahertz erreicht und bietet eine Einstellbarkeit der Wärmeleitfähigkeit von 1300 %, wodurch er frühere Einschränkungen bei der Modulation der Wärmeleitfähigkeit übertrifft.

Zur Validierung dieser Technologie wurden selbstorganisierte molekulare Schnittstellen verwendet, um den Wärmewiderstand über ein elektrisches Feld präzise anzupassen und so die Kontrolle der Wärmebewegung zu demonstrieren.

Diese skalierbare technologische Innovation stellt nicht nur einen bedeutenden Fortschritt bei der Chipherstellung und -leistung dar, sondern verspricht auch Fortschritte im Wärmemanagement auf molekularer Ebene, die möglicherweise bis in den Bereich lebender Zellen reichen.

Technischer Support wird von der UCLA Nanoelectronics Research Facility und dem CNSI bereitgestellt, mit Informationsressourcen der Abteilung Digital Research and Education der UCLA-Bibliothek und dem Advanced Network Infrastructure Coordinating Ecosystem des Institute for Digital Research and Education.

2. Upgrades für ASMLs EUV-Lithographiemaschinen

Im Jahr 2023 lieferte ASML seinen ersten High-NA-EUV-Scanner, den Twinscan EXE:5000, an Intel. Die gemeinsame Entwicklung dieser Maschine begann 2018. Intel plant, den kommerziellen Twinscan EXE:5200 im Jahr 2025 für die Massenproduktion einzusetzen.

Die 0.55 NA-Linse des High-NA-EUV-Scanners gewährleistet eine Auflösung von 8 nm, die für die Herstellung hochentwickelter Chips mit 3 nm und mehr entscheidend ist. Als erstes Unternehmen, das diese hochmoderne Ausrüstung einsetzt, verschafft sich Intel einen strategischen Vorteil bei der Festlegung von Industriestandards und könnte in Zukunft möglicherweise die Konkurrenten Samsung und TSMC übertreffen.

Der High-NA-Scanner verfügt über einzigartige Fähigkeiten, wobei die Strahlgröße noch einmal halbiert wurde, was erhebliche Investitionen in die Infrastruktur erforderlich macht. Intels frühzeitige Einführung dieser neuesten Technologie ist ein entscheidender Vorbereitungsschritt für den Einsatz fortschrittlicherer Fertigungstechniken. ASML hat sich verpflichtet, bis 20-2027 jährlich 2028 High-NA-EUV-Scanner herzustellen und diese Technologie als Eckpfeiler für zukünftige Fortschritte zu positionieren. Intel möchte sich als Branchenführer etablieren.

3. KI-entwickelte Chips

Eine umstrittene Forschungsarbeit von Google behauptet, es seien erhebliche Fortschritte bei der künstlichen Intelligenz für das Chipdesign erzielt worden, und löste damit Schockwellen in der Branche aus.

Google behauptet, dass seine künstliche Intelligenztechnologie die Layoutplanung der zugrunde liegenden Verarbeitungseinheiten seines KI-Chips beschleunigt und die Aufgabe in weniger als sechs Stunden erledigt habe, womit es die Fähigkeiten menschlicher Experten bei weitem übertroffen habe.

Der TPU-v5-Chip hat Kontroversen ausgelöst. Google behauptet, sein Zweck bestehe nicht darin, menschliche Designer zu ersetzen, sondern zu demonstrieren, dass KI beim Chip-Designprozess mitwirken kann. (Die Amerikaner sind auch besorgt, dass KI ihnen die Arbeitsplätze wegnimmt, und Google sagt, sie experimentieren nur und werden sie nicht wirklich einsetzen. Glauben Sie ihnen?)

Trotz der Skepsis anderer Forscher hinsichtlich der Gültigkeit dieser Studie und der noch verbleibenden Herausforderungen spielt sie eine entscheidende Rolle bei der Förderung technologischer Innovationen. Sobald die Technologie ausgereift ist, steht der Chipdesignbranche ein großer Wandel bevor.

4. Reverse-Power-Supply-Technologie für Chips

Intel führt parallel zur Markteinführung von RibbonFET auch eine neue Technologie ein: PowerVia. PowerVia nutzt die rückseitige Stromversorgung, indem die Stromverbindungen auf der Unterseite des Siliziums platziert werden. Dies führt zu einer Frequenzsteigerung von 6 %, kompakteren Designs und einer Reduzierung der Verlustleistung um 30 %.

Die Tests zeigen, dass weder die Kosten steigen noch die Zuverlässigkeit sinkt. Der Herstellungsprozess umfasst das Bohren von Nano-Via-Löchern (TSV), das Verbinden von Trägerwafern und das Herstellen von Stromverbindungen an der Unterseite des Chips. Trotz der zusätzlichen Komplexität konnte Intel Kosten einsparen, indem die M0-Schicht ohne Stromverbindungen optimiert wurde.

PowerVia wurde erfolgreich in den Produktionsprozess von Intel integriert und ebnet den Weg für den 20A-Knoten mit RibbonFET-Transistoren im Jahr 2024. Dieser Fortschritt verschafft Intel die Möglichkeit, Konkurrenten wie TSMC und Samsung bei Nanosheet-Transistoren und rückseitiger Stromversorgung zu überholen.

5. Integrierter Laserchip

Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) werden bereits häufig in optischen Hochgeschwindigkeitstransceivern und Anwendungen wie LIDAR eingesetzt. Die Integration von Lasern in Silizium-Photonik-Chips bleibt jedoch aufgrund der begrenzten Emissionseffizienz von Silizium eine große Herausforderung. Das belgische Nanoelektronik-Forschungszentrum Imec leitet dieses Forschungsvorhaben. In einem als Flip-Chip-Bonding bezeichneten Verfahren werden Laserchips mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich präzise ausgerichtet, übertragen und auf Silizium-Photonik-Wafer gebondet.

Der Silizium-Photonik-Prozess auf Waferebene hat Kopplungseffizienzen von bis zu 80 % erreicht, wobei einige Anwendungsbeispiele zufriedenstellende 60 % erreichten. Dies zeigt die Wirksamkeit dieses Ansatzes.

Es gibt verschiedene Methoden zum Übertragen von Laserchips. Ein Ansatz ist der Mikrotransferdruck, bei dem Klebstoffe oder molekulare Bindungen für eine schnelle Montage und Verbindung verwendet werden. Diese Methode ist in Hochdurchsatzszenarien, in denen eine große Anzahl von III-V-Komponenten integriert werden muss, äußerst wertvoll. Waferbonden ist eine weitere Technik zum Verbinden von III-V-Materialien mit Siliziumwafern, wodurch die parallele Verarbeitung mehrerer Geräte ermöglicht und eine höhere Effizienz für optische Schnittstellen geboten wird.

Die Technologie von Imec ist die monolithische Integration, auch bekannt als Nano Ridge Engineering (NRE), und stellt einen hochmodernen Ansatz dar. Diese Methode nutzt Grabenbegrenzung, um Defekte zu begrenzen, mit dem Ziel, defektfreies Wachstum von III-V-Materialien auf Silizium zu erreichen.

Die NRE-Technologie von Imec ermöglicht die Herstellung hochwertiger GaAs-basierter Fotodioden auf einer 300-mm-Silizium-Produktionslinie.

Die Flip-Chip-Verarbeitung bietet Einfachheit und Flexibilität, aber ihre sequentielle Natur begrenzt die Produktionseffizienz. Im Gegensatz dazu weisen Mikrotransferdruck und Waferbonden trotz höherer Kosten einen höheren Durchsatz und ein geringeres Kostenpotenzial bei Anwendungen auf, die mehrere Laser pro Photon-IC erfordern. Die monolithische Integration, insbesondere NRE, stellt eine vielversprechende Richtung dar, indem sie die grundlegende Herausforderung des fehlerfreien Wachstums direkt auf Silizium für Basiskomponenten angeht. Mit der Verbreitung und Weiterentwicklung dieses Prozesses ist er in der Lage, verschiedene Anwendungsanforderungen im Bereich der Siliziumphotonik besser zu erfüllen.

6. Photonenfusion

Forscher am Congreve Lab der Stanford University sind Vorreiter auf dem Gebiet der photochromen Technologie und konzentrieren sich dabei auf die Frequenzaufwärtskonversion, bei der zwei Photonen mit niedriger Energie in ein Photon mit hoher Energie umgewandelt werden. Mithilfe der Triplett-Triplett-Annihilationsmethode und der Triplett-Sensibilisierungseigenschaften von Schwermetallen wie Palladium, Iridium oder Platin sowie anregbaren Materialien wie Rubren ist es dem Team gelungen, eine effiziente Emission von Photonen mit hoher Energie zu erreichen.

Bei diesem Verfahren wird die Wellenlänge des Lichts in eine Wellenlänge umgewandelt, die von Silizium-Solarzellen absorbiert werden kann, wodurch die Farbe des Lichts verändert wird (Farbwechseltechnologie). Diese Technik wird eingesetzt, um die Effizienz der Solarenergie zu verbessern und sie potenziell um 15-20 % zu steigern.

Darüber hinaus haben Forschungsexperimente die Leistungsfähigkeit des 3D-Drucks mit Upconversion-Technologie demonstriert, die eine präzise Aushärtung von Harz an bestimmten Punkten mithilfe von Lasern mit geringer Leistung ermöglicht. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die additive Fertigung. Diese Laser mit geringer Leistung können Objekte im Nanomaßstab schnell parallel drucken und so die aktuellen Einschränkungen der Druckpräzision überwinden.

Diese bahnbrechende Technologie bewältigt nicht nur Herausforderungen in den Bereichen Solarenergie und 3D-Druck, sondern ist auch für verschiedene Anwendungen vielversprechend, darunter Tiefengewebebildgebung, Optogenetik, Nachtsichtsysteme und Lösungen zum Schutz vor Produktfälschungen. Forscher haben die Anwendung der Nahinfrarot-Lichtfrequenz-Upconversion-Technologie für Tiefengewebebildgebung, Optogenetik und lokalisierte chemische Reaktionen in lebendem Gewebe untersucht.

Die Arbeit des Congreve Lab demonstriert das vielfältige und transformative Potenzial der Frequenzaufwärtskonvertierungstechnologie in verschiedenen Branchen und stellt erst den Anfang ihrer potenziellen Anwendungen dar.

7.Chip-Scale-Elektronenbeschleuniger

Physiker der Universität Erlangen-Nürnberg haben bedeutende Fortschritte bei Elektronenbeschleunigern in Chipgröße erzielt. Das Team stellte einen Beschleuniger auf einem Chip aus dielektrischen Materialien her und schuf so einen 225 Nanometer breiten und 0.5 Millimeter langen Kanal. Durch den Einsatz präzise getimter Infrarot-Laserpulse und 733 Siliziumsäulen mit einer Höhe von jeweils 2 Mikrometern konnten sie die Elektronenenergie um beeindruckende 43 Prozent steigern.

Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik dar. Nanophotonische Elektronenbeschleuniger können mit Standard-Reinraumtechniken wie Elektronenstrahllithografie konstruiert werden. Die Forscher wollen kompakte Beschleuniger entwickeln, um Anwendungen in Synchrotronlichtquellen, Freie-Elektronen-Lasern und der Suche nach leichter Dunkler Materie zu erkunden.

8.Neue Materialien für Hochgeschwindigkeitshalbleiter

Wissenschaftler haben das bislang schnellste und effizienteste Halbleitermaterial entdeckt: Re6Se8Cl2. Dieses Material besteht aus Rhenium, Selen und Chlor und bildet Cluster, die als „Superatome“ bezeichnet werden. Diese Superatome bilden eine einzigartige Struktur, in der gebundene Exzitonen (Elektron-Loch-Paare) mit Phononen statt mit Streuzuständen interagieren, was zu neuen Quasiteilchen führt, die als akustische Exziton-Polaronen bezeichnet werden.

Hier sind einige Schlüsseleigenschaften dieses neuartigen Superhalbleiters:

★ Re6Se8Cl2 weist bei Raumtemperatur eine anhaltende ballistische Exzitonenbewegung auf, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit akustischer Exzitonen-Polaronen doppelt so hoch ist wie die von Elektronen in Silizium.

★ Anders als bei herkömmlichen Halbleitern, bei denen die Elektronen nur über kurze Distanzen gestreut werden, legen Exzitonen-Polaronen in Re6Se8Cl2 mehrere Mikrometer innerhalb von Nanosekunden zurück und weisen damit eine außergewöhnliche Geschwindigkeitsleistung auf.

★ Dieser Halbleiter funktioniert auf Basis von Lichtsteuerung statt von elektrischem Strom und erreicht Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Femtosekundenbereich, was deutlich schneller ist als die derzeit verfügbaren elektronischen Geräte im Gigahertz-Bereich.

★ Re6Se8Cl2 ist ein Van-der-Waals-Material und gehört zur Familie der superatomaren Halbleiter. Da Rhenium jedoch ein seltenes Element ist, suchen Forscher nach alternativen Materialien mit ähnlichen Eigenschaften.

★ Akustische Exziton-Polaronen bieten eine neuartige Methode zur Energieübertragung über große Entfernungen in unkonventionellen Materialien und erweitern so ihre Anwendung über die traditionelle Halbleiternutzung hinaus.

★ Die Verwendung von Exzitonen anstelle von Elektronen kann als effiziente Fotodetektoren dienen oder in der Computertechnik Anwendung finden, um Energieeffizienz und Leistung zu verbessern. Mögliche Geräte sind beispielsweise „ballistische Transistoren“.

Die Forscher betonen, dass Exzitonen zwar wie Elektronen Informationen und Energie transportieren, aber möglicherweise nicht direkt mit der aktuellen Hardware der Halbleiterindustrie kompatibel sind. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher Halbleiterbauelemente mit einzigartigen Funktionen.

Es gibt hier viele neue Konzepte, daher wollen wir einige Erklärungen hinzufügen:

Exzitonen

Ein Exziton ist ein Quasiteilchen, das in der Festkörperphysik zur Beschreibung eines Systems verwendet wird, in dem ein Elektron und ein Loch (eine positiv geladene Leerstelle) innerhalb eines kristallinen Materials durch Coulomb-Kräfte interagieren.

Phononen

Ein Phonon ist die quantisierte Einheit der Gitterschwingungen und stellt das kleinste Energiequant dar, das mit einem normalen Schwingungsmodus in einem Kristallgitter verbunden ist, wie in der Quantenmechanik beschrieben.

Superatome

Superatome sind stabile Struktureinheiten aus mehreren Atomen, die ähnliche Eigenschaften wie einzelne Atome aufweisen. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften variieren mit der Anzahl der Atome, deren Struktur und Zusammensetzung.

Quasiteilchen

Ein Quasiteilchen ist ein neuer teilchenähnlicher Zustand, der sich unter bestimmten Bedingungen durch Wechselwirkungen vorübergehend bildet und kollektive Eigenschaften aufweist, die sich von denen gewöhnlicher Elementarteilchen unterscheiden. In Supraleitern beispielsweise können durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen Cooper-Paare entstehen, geladene Bosonen, die sich im Supraleiter ähnlich wie herkömmliche Elektronen verhalten. Daher können Cooper-Paare als Quasiteilchen betrachtet werden.

9. Nachhaltigkeitsprobleme bei Halbleitern: Galliumnitrid vs. Siliziumkarbid

Aufgrund der Vorteile von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC)-Halbleitern gegenüber der traditionellen Siliziumtechnologie erlebt der Bereich der Leistungselektronik einen tiefgreifenden Wandel. Um 2001 herum lösten GaN-basierte Verbindungshalbleiter einen revolutionären Wandel in der Beleuchtungsindustrie aus und eroberten schnell über 50 % des weltweiten GaN-basierten LED-Beleuchtungsmarktes. Dieser Wandel reduzierte nicht nur den Stromverbrauch der Beleuchtung um 30 bis 40 %, sondern legte auch den Grundstein für umfassendere revolutionäre Veränderungen in der Leistungselektronik. GaN und SiC tragen mit ihrer überlegenen Effizienz und Funktionalität erheblich zum Ersatz von Silizium in kritischen Leistungselektronikanwendungen bei. Diese Materialien reduzieren Energieverschwendung und bringen erhebliche Vorteile für die Umwelt.

Diese neuen technologischen Fortschritte prägen nicht nur die Halbleiterindustrie, sondern zeigen auch ihre Entwicklungsrichtung für die kommenden Jahre auf. Während die Grenzen der Technologie immer weiter verschoben werden, ist die einzige Konstante die unermüdliche Innovation.