1. サーマルトランジスタの登場

カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (UCLA) の研究チームが開発した革新的なサーマル トランジスタは、画期的な技術的進歩を達成しました。このトランジスタは、コンピューター チップの熱管理における原子レベルの設計と分子工学において比類のない可能性を秘めています。

この新しいタイプの全固体熱トランジスタは、電界効果を利用して半導体部品内の熱移動を正確に制御します。このトランジスタは、コンピュータチップの熱管理のための原子レベルの設計と分子工学において比類のない可能性を秘めており、現在の半導体製造プロセスとの優れた互換性も実証しています。

このトランジスタは、1テラヘルツを超える記録破りのスイッチング速度を達成し、熱伝導率の調整可能性を1300%提供し、熱伝導率変調におけるこれまでの限界を超えています。

この技術を検証するために、自己組織化分子界面を使用して電界を介して熱抵抗を正確に調整し、熱移動の制御を実証しました。

このスケーラブルな技術革新は、チップの製造と性能に大きな飛躍をもたらすだけでなく、分子レベルでの熱管理を進歩させ、生きた細胞の領域にまで拡張する可能性を秘めています。

技術サポートは、UCLA ナノエレクトロニクス研究施設と CNSI によって提供され、情報リソースは UCLA 図書館のデジタル研究教育部門とデジタル研究教育研究所の高度ネットワーク インフラストラクチャ調整エコシステムから提供されます。

2. ASMLのEUVリソグラフィー装置のアップグレード

2023年、ASMLは初の高NA EUVスキャナーであるTwinscan EXE:5000をIntelに納入しました。このマシンの共同開発は2018年に始まりました。Intelは5200年に商用グレードのTwinscan EXE:2025を量産に導入する予定です。

高NA EUVスキャナの0.55 NAレンズは、8nm以降の高度なチップの製造に不可欠な3nmの解像度を保証します。この最先端機器を最初に採用した企業として、Intelは業界標準の設定において戦略的優位性を獲得し、将来的には競合他社のSamsungやTSMCを上回る可能性があります。

高NAスキャナは独自の機能を備えており、ビームサイズがさらに半分になるため、相当のインフラ投資が必要になります。インテルがこの最新技術を早期に採用したことは、より高度な製造技術を導入するための重要な準備ステップです。ASMLは、20～2027年までに年間2028台の高NA EUVスキャナを生産することを約束しており、この技術を将来の進歩の礎と位置付けています。インテルは、業界リーダーとしての地位を確立することを目指しています。

3. AI設計チップ

Google が発表した物議を醸す研究論文では、チップ設計における人工知能の大きな進歩が主張されており、業界全体に衝撃を与えている。

Googleは、同社の人工知能技術により、AIチップの基盤となる処理装置のレイアウト計画が加速され、6時間以内に作業を完了し、人間の専門家の能力をはるかに上回ったと主張している。

TPU v5 チップは論争を巻き起こしました。Google は、その目的は人間の設計者に取って代わることではなく、チップ設計プロセスで AI が協力できることを実証することだと主張しています。(アメリカ人も AI が仕事を奪うことを心配しており、Google は実験しているだけで実際に使用することはないと言っています。あなたは彼らを信じますか?)

この研究の妥当性と残る課題について同業者の研究者から懐疑的な意見が出ているにもかかわらず、この研究は技術革新を推進する上で重要な役割を果たしています。この技術が成熟すれば、チップ設計業界の状況は大きく変わることになります。

4. チップ用逆電源供給技術

Intel は RibbonFET の発売と同時に、新しいテクノロジである PowerVia を慎重に導入しています。PowerVia は、シリコンの下部に電源相互接続を配置することで裏面からの電力供給を採用しており、その結果、周波数が 6% 向上し、設計がよりコンパクトになり、消費電力が 30% 削減されます。

テストでは、コストの増加や信頼性の低下がないことが示されています。製造プロセスには、ナノスケールビアドリル (TSV)、キャリアウェーハの接合、チップ下部の電源相互接続の確立が含まれます。複雑さが増したにもかかわらず、Intel は電源相互接続なしで M0 レイヤーを最適化することでコスト削減を達成しました。

PowerVia は Intel の製造プロセスにうまく統合され、20 年に RibbonFET トランジスタを搭載した 2024A ノードへの道が開かれました。この進歩により、Intel はナノシート トランジスタと裏面電力供給において TSMC や Samsung などの競合他社を上回る可能性があります。

5. レーザー集積チップ

フォトニクス集積回路 (PIC) は、高速光トランシーバーや LIDAR などのアプリケーションで幅広く利用されています。しかし、シリコンの発光効率が限られているため、シリコンフォトニクスチップにレーザーを統合することは依然として大きな課題です。ベルギーのナノエレクトロニクス研究センター Imec がこの研究を主導しています。フリップチップボンディングと呼ばれるプロセスでは、レーザーダイがサブミクロンの精度で正確に位置合わせされ、シリコンフォトニクスウェーハに転送され、ボンディングされます。

ウェーハレベルのシリコンフォトニクスプロセスでは、最大 80% の結合効率が達成されており、一部のアプリケーション例では満足のいく 60% に達しています。これは、このアプローチの有効性を実証しています。

レーザー ダイを転写する方法はさまざまです。1 つの方法はマイクロ転写印刷です。これは、接着剤または分子結合を使用して、迅速な組み立てと結合を行います。この方法は、多数の III-V コンポーネントを統合する必要がある高スループットのシナリオで非常に役立ちます。ウェーハ ボンディングは、III-V 材料をシリコン ウェーハに結合する別の技術で、複数のデバイスの並列処理が可能になり、光学インターフェイスの効率が向上します。

Imec の技術はモノリシック統合であり、ナノリッジエンジニアリング (NRE) とも呼ばれ、最先端のアプローチを表しています。この方法では、トレンチ閉じ込めを利用して欠陥を制限し、シリコン上での III-V 材料の欠陥のない成長を実現することを目指しています。

Imec の NRE テクノロジーにより、300mm シリコン生産ラインで高品質の GaAs ベースのフォトダイオードを生産することが可能になります。

フリップチップ処理はシンプルさと柔軟性を提供しますが、その連続的な性質により生産効率が制限されます。対照的に、マイクロ転写印刷とウェーハボンディングは、コストは高くなりますが、フォトン IC ごとに複数のレーザーを必要とするアプリケーションでは、スループットが高く、コストが低くなる可能性を秘めています。モノリシック統合、特に NRE は、基本コンポーネントをシリコン上に直接欠陥なく成長させるという基本的な課題に対処することで、有望な方向性を示しています。このプロセスの普及と進歩により、シリコンフォトニクスの分野でのさまざまなアプリケーションのニーズにさらによく対応できるようになります。

6. 光子融合

スタンフォード大学コングリーブ研究所の研究者は、2 つの低エネルギー光子を 1 つの高エネルギー光子に変換する周波数アップコンバージョンに焦点を当てたフォトクロミック技術の先駆者です。三重項-三重項消滅法を使用し、パラジウム、イリジウム、プラチナなどの重金属の三重項感光特性とルブレンなどの励起物質を活用して、研究チームは高エネルギー光子の効率的な放出に成功しました。

このプロセスは、光の波長をシリコン太陽電池が吸収できる波長に変換し、本質的に光の色を変えます（色変更技術）。この技術は太陽エネルギー効率を高めるために適用されており、15～20% 増加する可能性があります。

さらに、研究実験では、アップコンバージョン技術を使用した 3D プリントの能力が実証されており、低出力レーザーを使用して特定のポイントで樹脂を正確に硬化させることができます。これにより、積層造形に新たな可能性が生まれます。これらの低出力レーザーは、ナノスケールのオブジェクトを並行して高速にプリントできるため、現在のプリント精度の限界を克服できます。

この革新的な技術は、太陽エネルギーや 3D 印刷の課題を解決するだけでなく、深部組織イメージング、オプトジェネティクス、暗視システム、偽造防止ソリューションなど、さまざまな用途にも期待されています。研究者は、深部組織イメージング、オプトジェネティクス、生体組織内の局所化学反応アプリケーションへの近赤外光周波数アップコンバージョン技術の応用を研究してきました。

Congreve Lab の研究は、さまざまな業界にわたる周波数アップコンバージョン技術の多様で革新的な可能性を実証しており、その潜在的な応用の始まりに過ぎません。

7.チップスケール電子加速器

エアランゲン・ニュルンベルク大学の物理学者たちは、チップサイズの電子加速器で大きな進歩を遂げました。チームは誘電体材料を使用してチップ上に加速器を製造し、幅 225 ナノメートル、長さ 0.5 ミリメートルのチャネルを作成しました。正確にタイミングを合わせた赤外線レーザー パルスと、高さ 733 マイクロメートルのシリコン ピラー 2 本を使用することで、電子エネルギーを 43% も増加させることができました。

これは加速器物理学の分野における大きな進歩です。ナノフォトニック電子加速器は、電子ビームリソグラフィーなどの標準的なクリーンルーム技術を使用して構築できます。研究者は、シンクロトロン光源、自由電子レーザー、軽量暗黒物質の探索への応用を模索するために、コンパクトな加速器の開発を目指しています。

8.高速半導体向け新材料

科学者たちは、これまでで最も高速かつ効率的な半導体材料であると言われている Re6Se8Cl2 を発見しました。この材料は、レニウム、セレン、塩素で構成されており、「スーパーアトム」と呼ばれるクラスターを形成しています。これらのスーパーアトムは、束縛励起子 (電子正孔対) が散乱状態ではなくフォノンと相互作用する独自の構造を作り出し、音響励起子ポーラロンと呼ばれる新しい準粒子を生成します。

この新しいスーパー半導体の主な特徴は次のとおりです。

★ Re6Se8Cl2 は室温で持続的な弾道励起子運動を示し、音響励起子ポーラロンの移動速度はシリコン中の電子の XNUMX 倍です。

★ 電子が短距離で散乱する従来の半導体とは異なり、Re6Se8Cl2 の励起子ポーラロンはナノ秒以内に数マイクロメートルを移動し、並外れた速度性能を発揮します。

★ この半導体は電流ではなく光制御で動作し、現在市販されているギガヘルツ帯の電子デバイスよりも大幅に高速なフェムト秒帯の処理速度を実現します。

★ Re6Se8Cl2 はファンデルワールス物質であり、超原子半導体ファミリーの一部です。しかし、レニウムは希少元素であるため、研究者は同様の特性を持つ代替物質を探しています。

★ 音響励起子ポーラロンは、従来とは異なる材料で長距離エネルギー転送を実現する新しい方法を提供し、従来の半導体用途を超えて応用範囲を広げます。

★ 電子の代わりに励起子を利用すると、効率的な光検出器として機能したり、コンピューティングに応用してエネルギー効率とパフォーマンスを向上させることができます。潜在的なデバイスには「バリスティック トランジスタ」が含まれます。

研究者らは、励起子は電子のように情報とエネルギーを運ぶが、現在の半導体産業のハードウェアと直接互換性がない可能性があると強調している。これらの発見は、独自の機能を備えた高度な半導体デバイスを設計するための新たな道を開くものである。

ここには多くの新しい概念があるので、いくつか説明を追加しましょう。

励起子

励起子は固体物理学において、電子と正孔（正電荷を帯びた空孔）が結晶材料内でクーロン力を通じて相互作用するシステムを表すために使用される準粒子です。

フォノン

フォノンは格子振動の量子化された単位であり、量子力学で説明されているように、結晶格子内の通常の振動モードに関連するエネルギーの最小量子を表します。

超原子

超原子は、単一の原子と同様の特性を示す複数の原子から構成される安定した構造単位です。その物理的および化学的特性は、構成原子の数、構造、組成によって異なります。

準粒子

準粒子は、相互作用により特定の条件下で一時的に形成される新しい粒子のような状態であり、通常の基本粒子とは異なる集合的特性を示します。たとえば、超伝導体では、電子とフォノンの相互作用により、超伝導体内で従来の電子と同様に動作する荷電ボソンであるクーパー対が形成されます。したがって、クーパー対は準粒子と見なすことができます。

9.半導体の持続可能性の問題：窒化ガリウムと炭化シリコン

従来のシリコン技術に比べて窒化ガリウム (GaN) とシリコンカーバイド (SiC) 半導体が優れているため、パワーエレクトロニクス分野は大きな変革を遂げています。2001 年頃、GaN ベースの化合物半導体は照明業界に革命的な変化を引き起こし、急速に世界の GaN ベースの LED 照明市場の 50% 以上を占めるようになりました。この変化により、照明の電力消費が 30% ～ 40% 削減されただけでなく、パワーエレクトロニクスのより広範な革命的な変化の基盤も築かれました。GaN と SiC は、その優れた効率性と機能性により、重要なパワーエレクトロニクス アプリケーションにおけるシリコンの置き換えに大きく貢献しています。これらの材料は、エネルギーの無駄を減らし、環境に大きなメリットをもたらします。

こうした新しい技術の進歩は、半導体産業を形作ると同時に、今後数年間の発展の軌跡を浮き彫りにしています。技術の限界が絶えず押し広げられる中、唯一変わらないのは、絶え間ない革新です。