1. De opkomst van thermische transistoren

Een revolutionaire thermische transistor, ontwikkeld door een onderzoeksteam van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), heeft baanbrekende technologische vooruitgang geboekt. Het heeft een ongeëvenaard potentieel op het gebied van ontwerp op atomair niveau en moleculaire engineering voor het thermisch beheer van computerchips.

Dit nieuwe type volledig uit vaste toestand bestaande thermische transistor maakt gebruik van elektrische veldeffecten om de warmtebeweging binnen halfgeleidercomponenten nauwkeurig te regelen. Het heeft een ongeëvenaard potentieel op het gebied van ontwerp op atomair niveau en moleculaire engineering voor het thermisch beheer van computerchips, terwijl het ook uitstekende compatibiliteit vertoont met de huidige productieprocessen van halfgeleiders.

Deze transistor heeft een recordbrekende schakelsnelheid van meer dan 1 terahertz bereikt en biedt een aanpasbaarheid van 1300% in thermische geleidbaarheid, waarmee eerdere beperkingen op het gebied van thermische geleidbaarheidsmodulatie worden overtroffen.

Om deze technologie te valideren, werden zelf-geassembleerde moleculaire interfaces gebruikt om de thermische weerstand nauwkeurig aan te passen via een elektrisch veld, wat de controle van de warmtebeweging aantoont.

Deze schaalbare technologische innovatie markeert niet alleen een aanzienlijke sprong voorwaarts in de productie en prestaties van chips, maar houdt ook een belofte in voor het bevorderen van het thermisch beheer op moleculair niveau, en kan zich mogelijk uitstrekken tot het rijk van levende cellen.

Technische ondersteuning wordt geleverd door de UCLA Nanoelectronics Research Facility en CNSI, met informatiebronnen van de Digital Research and Education-divisie van de UCLA Library en het Advanced Network Infrastructure Coordinating Ecosystem van het Institute for Digital Research and Education.

2. Upgrades van ASML's EUV-lithografiemachines

In 2023 leverde ASML zijn eerste High-NA EUV-scanner, de Twinscan EXE:5000, aan Intel. De gezamenlijke ontwikkeling van deze machine begon in 2018. Intel is van plan om de commerciële Twinscan EXE:5200 in 2025 in te zetten voor grootschalige productie.

De 0.55 NA-lens van de High-NA EUV-scanner zorgt voor een resolutie van 8 nm, wat cruciaal is voor de productie van geavanceerde chips op 3 nm en verder. Als het eerste bedrijf dat deze geavanceerde apparatuur toepast, verkrijgt Intel een strategisch voordeel bij het vaststellen van industriestandaarden, waarmee het in de toekomst mogelijk concurrenten Samsung en TSMC kan overtreffen.

De High-NA-scanner beschikt over unieke mogelijkheden, waarbij de bundelgrootte opnieuw wordt gehalveerd, waardoor aanzienlijke investeringen in de infrastructuur nodig zijn. De vroege adoptie door Intel van deze nieuwste technologie is een cruciale voorbereidende stap voor het inzetten van meer geavanceerde productietechnieken. ASML heeft zich ertoe verbonden om tussen 20 en 2027 jaarlijks twintig High-NA EUV-scanners te produceren, waarmee deze technologie als hoeksteen voor toekomstige ontwikkelingen wordt gepositioneerd. Intel wil zichzelf positioneren als marktleider.

3. AI-ontworpen chips

Een controversieel onderzoeksartikel gepubliceerd door Google claimt aanzienlijke vooruitgang op het gebied van kunstmatige intelligentie voor chipontwerp, wat schokgolven door de industrie veroorzaakt.

Google beweert dat zijn kunstmatige intelligentietechnologie de lay-outplanning van de onderliggende verwerkingseenheden van zijn AI-chip heeft versneld, waardoor de taak in minder dan zes uur is voltooid, wat de mogelijkheden van menselijke experts ver overtreft.

De TPU v5-chip heeft tot controverse geleid. Google beweert dat het niet de bedoeling is om menselijke ontwerpers te vervangen, maar om aan te tonen dat AI kan samenwerken in het chipontwerpproces. (Amerikanen zijn ook bezorgd dat AI hun banen zal innemen, en Google zegt dat ze alleen maar aan het experimenteren zijn en het niet daadwerkelijk zullen gebruiken. Geloof je ze?)

Ondanks het scepticisme van collega-onderzoekers over de validiteit van dit onderzoek en de uitdagingen die er nog zijn, speelt het een cruciale rol bij het stimuleren van technologische innovatie. Zodra de technologie volwassen wordt, zal het landschap van de chipontwerpindustrie een grote transformatie ondergaan.

4. Omgekeerde voedingstechnologie voor chips

Intel introduceert voorzichtig een nieuwe technologie, PowerVia, naast de lancering van RibbonFET. PowerVia maakt gebruik van stroomafgifte aan de achterkant door stroomverbindingen op de onderkant van het silicium te plaatsen, wat resulteert in een frequentieverhoging van 6%, compactere ontwerpen en een vermindering van de vermogensdissipatie met 30%.

Uit de tests blijkt dat er geen sprake is van een stijging van de kosten en geen vermindering van de betrouwbaarheid. Het productieproces omvat nanoschaal via boren (TSV), het verbinden van dragerwafels en het tot stand brengen van stroomverbindingen aan de onderkant van de chip. Ondanks de extra complexiteit heeft Intel kostenbesparingen gerealiseerd door de M0-laag te optimaliseren zonder stroomverbindingen.

PowerVia is met succes geïntegreerd in het productieproces van Intel, waardoor de weg is vrijgemaakt voor het 20A-knooppunt met RibbonFET-transistoren in 2024. Deze vooruitgang positioneert Intel om potentieel concurrenten als TSMC en Samsung te overtreffen op het gebied van nanosheet-transistors en stroomafgifte aan de achterkant.

5. Lasergeïntegreerde chip

Fotonica-geïntegreerde circuits (PIC's) zijn uitgebreid toegepast in snelle optische transceivers en toepassingen zoals LIDAR. Het integreren van lasers op siliciumfotonicachips blijft echter een aanzienlijke uitdaging vanwege de beperkte emissie-efficiëntie van silicium. Het Belgische onderzoekscentrum voor nano-elektronica, Imec, leidt dit onderzoek. In een proces dat flip-chip bonding wordt genoemd, worden lasermatrijzen nauwkeurig uitgelijnd met sub-micronnauwkeurigheid, overgebracht en gebonden op siliciumfotonicawafels.

Het siliciumfotonicaproces op waferniveau heeft koppelingsefficiënties tot wel 80% bereikt, waarbij sommige toepassingsvoorbeelden een bevredigende 60% bereiken. Dit toont de effectiviteit van deze aanpak aan.

Er zijn verschillende methoden voor het overbrengen van lasermatrijzen. Eén benadering is micro-transferprinten, waarbij gebruik wordt gemaakt van lijm of moleculaire binding voor snelle montage en koppeling. Deze methode is zeer waardevol in scenario's met hoge doorvoer waarin een groot aantal III-V-componenten moeten worden geïntegreerd. Waferbonding is een andere techniek voor het verbinden van III-V-materialen met siliciumwafels, waardoor de parallelle verwerking van meerdere apparaten mogelijk is en een hogere efficiëntie voor optische interfaces wordt geboden.

De technologie van Imec is een monolithische integratie, ook bekend als Nano Ridge Engineering (NRE), die een baanbrekende aanpak vertegenwoordigt. Deze methode maakt gebruik van sleufopsluiting om defecten te beperken, met als doel een defectvrije groei van III-V-materialen op silicium te bereiken.

De NRE-technologie van imec maakt de productie van hoogwaardige GaAs-gebaseerde fotodiodes mogelijk op een 300 mm siliciumproductielijn.

Flip-chip-verwerking biedt eenvoud en flexibiliteit, maar het sequentiële karakter ervan beperkt de productie-efficiëntie. Daarentegen vertonen micro-transferprinten en waferbinding, ondanks dat ze hogere kosten vereisen, een hogere doorvoer en een lager kostenpotentieel in toepassingen die meerdere lasers per foton-IC vereisen. Monolithische integratie, met name NRE, biedt een veelbelovende richting door de fundamentele uitdaging van defectvrije groei rechtstreeks op silicium voor basiscomponenten aan te pakken. Met de verspreiding en vooruitgang van dit proces is het klaar om beter te voldoen aan verschillende toepassingsbehoeften op het gebied van siliciumfotonica.

6. Fotonfusie

Onderzoekers van het Congreve Lab van Stanford University zijn baanbrekend op het gebied van fotochromische technologie, waarbij ze zich richten op frequentie-opconversie, waarbij twee laagenergetische fotonen worden omgezet in één hoogenergetisch foton. Door gebruik te maken van de triplet-triplet-vernietigingsmethode en gebruik te maken van de triplet-sensibiliserende eigenschappen van zware metalen zoals palladium, iridium of platina, samen met exciteerbare materialen zoals rubreen, heeft het team met succes een efficiënte emissie van hoogenergetische fotonen bereikt.

Dit proces zet de golflengte van licht om in de golflengte die kan worden geabsorbeerd door siliciumzonnecellen, waardoor de kleur van het licht feitelijk verandert (kleurveranderende technologie). Deze techniek is toegepast om de efficiëntie van zonne-energie te verbeteren, waardoor deze mogelijk met 15-20% wordt verhoogd.

Bovendien hebben onderzoeksexperimenten de mogelijkheden van 3D-printen met upconversion-technologie aangetoond, waardoor hars op specifieke punten nauwkeurig kan worden uitgehard met behulp van lasers met laag vermogen. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor additive manufacturing. Deze lasers met laag vermogen kunnen snel objecten op nanoschaal parallel printen, waardoor de huidige beperkingen van printprecisie worden overwonnen.

Deze transformatieve technologie pakt niet alleen de uitdagingen op het gebied van zonne-energie en 3D-printen aan, maar is ook veelbelovend voor verschillende toepassingen, waaronder deep tissue imaging, optogenetica, nachtzichtsystemen en oplossingen tegen namaak. Onderzoekers hebben de toepassing onderzocht van technologie voor het opwaarderen van de frequentie van nabij-infrarood licht voor diepe weefselbeeldvorming, optogenetica en gelokaliseerde chemische reactietoepassingen in levende weefsels.

Het werk van het Congreve Lab demonstreert het diverse en transformerende potentieel van frequentie-opconversietechnologie in verschillende industrieën, en markeert slechts het begin van de potentiële toepassingen ervan.

7. Elektronenversneller op chipschaal

Natuurkundigen van de Universiteit van Erlangen-Neurenberg hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van elektronenversnellers ter grootte van een chip. Het team vervaardigde een versneller op een chip met behulp van diëlektrische materialen, waardoor een kanaal van 225 nanometer breed en 0.5 millimeter lang ontstond. Door gebruik te maken van nauwkeurig getimede infraroodlaserpulsen en 733 siliciumpilaren, elk 2 micrometer hoog, konden ze de elektronenenergie met maar liefst 43% verhogen.

Dit betekent een aanzienlijke sprong voorwaarts op het gebied van de versnellerfysica. Nanofotonische elektronenversnellers kunnen worden geconstrueerd met behulp van standaard cleanroomtechnieken, zoals elektronenbundellithografie. De onderzoekers willen compacte versnellers ontwikkelen om toepassingen in synchrotronlichtbronnen, vrije-elektronenlasers en de zoektocht naar lichtgewicht donkere materie te onderzoeken.

8. Nieuwe materialen voor snelle halfgeleiders

Wetenschappers hebben ontdekt wat naar verluidt het snelste en meest efficiënte halfgeleidermateriaal tot nu toe is, Re6Se8Cl2. Dit materiaal bestaat uit renium, selenium en chloor en vormt clusters die bekend staan ​​als 'superatomen'. Deze superatomen creëren een unieke structuur waarin gebonden excitonen (elektron-gatparen) interageren met fononen in plaats van verstrooiende toestanden, wat resulteert in nieuwe quasideeltjes die akoestische exciton-polaronen worden genoemd.

Hier zijn enkele belangrijke kenmerken van deze nieuwe superhalfgeleider:

★ Re6Se8Cl2 vertoont een aanhoudende ballistische excitonbeweging bij kamertemperatuur, waarbij de bewegingssnelheid van akoestische exciton-polaronen tweemaal zo hoog is als die van elektronen in silicium.

★ In tegenstelling tot traditionele halfgeleiders, waarbij elektronen zich over korte afstanden verspreiden, doorkruisen exciton-polaronen in Re6Se8Cl2 binnen nanoseconden enkele micrometers, wat uitzonderlijke snelheidsprestaties aantoont.

★ Deze halfgeleider werkt op basis van lichtregeling in plaats van op elektrische stroom, waardoor verwerkingssnelheden in het femtosecondebereik worden bereikt, wat aanzienlijk sneller is dan de elektronische apparaten met een gigahertz-bereik die momenteel beschikbaar zijn.

★ Re6Se8Cl2 is een van der Waals-materiaal en maakt deel uit van de superatomaire halfgeleiderfamilie. Renium is echter een zeldzaam element, dus onderzoekers zoeken naar alternatieve materialen met vergelijkbare eigenschappen.

★ Akoestische exciton-polaronen bieden een nieuwe methode voor het bereiken van energieoverdracht over lange afstanden in onconventionele materialen, waardoor de toepassing ervan wordt uitgebreid tot buiten het traditionele gebruik van halfgeleiders.

★ Het gebruik van excitonen in plaats van elektronen kan dienen als efficiënte fotodetectoren of toepassingen vinden in computers om de energie-efficiëntie en prestaties te verbeteren. Potentiële apparaten zijn onder meer 'ballistische transistors'.

Onderzoekers benadrukken dat hoewel excitonen net als elektronen informatie en energie vervoeren, ze mogelijk niet direct compatibel zijn met de huidige hardware van de halfgeleiderindustrie. Deze bevindingen openen nieuwe wegen voor het ontwerpen van geavanceerde halfgeleiderapparaten met unieke functionaliteiten.

Er zijn hier veel nieuwe concepten, dus laten we wat uitleg toevoegen:

opwinding

Een exciton is een quasideeltje dat in de vastestoffysica wordt gebruikt om een ​​systeem te beschrijven waarin een elektron en een gat (een positief geladen vacature) op elkaar inwerken via Coulomb-krachten in een kristallijn materiaal.

Fononen

Een fonon is de gekwantiseerde eenheid van roostertrillingen, die het kleinste energiekwantum vertegenwoordigt dat geassocieerd is met een normale trillingsmodus in een kristalrooster, zoals beschreven in de kwantummechanica.

Superatomen

Superatomen zijn stabiele structurele eenheden die zijn samengesteld uit verschillende atomen die eigenschappen vertonen die vergelijkbaar zijn met die van afzonderlijke atomen. Hun fysische en chemische eigenschappen variëren afhankelijk van het aantal samenstellende atomen, hun structuur en samenstelling.

Quasideeltjes

Een quasideeltje is een nieuwe deeltjesachtige toestand die zich tijdelijk onder specifieke omstandigheden vormt als gevolg van interacties, en collectieve eigenschappen vertoont die verschillen van gewone fundamentele deeltjes. In supergeleiders kan de interactie tussen elektronen en fononen bijvoorbeeld Cooper-paren vormen, dit zijn geladen bosonen die op dezelfde manier werken als conventionele elektronen in de supergeleider. Cooper-paren kunnen dus als quasideeltjes worden beschouwd.

9. Duurzaamheidsvraagstukken bij halfgeleiders: galliumnitride versus siliciumcarbide

Vanwege de voordelen van galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) halfgeleiders ten opzichte van traditionele siliciumtechnologie ondergaat het veld van de vermogenselektronica een aanzienlijke transformatie. Rond 2001 zorgden GaN-gebaseerde samengestelde halfgeleiders voor een revolutionaire verandering in de verlichtingsindustrie, waarbij ze snel meer dan 50% van de mondiale GaN-gebaseerde LED-verlichtingsmarkt veroverden. Deze verschuiving verminderde niet alleen het elektriciteitsverbruik voor verlichting met 30% tot 40%, maar legde ook de basis voor bredere revolutionaire veranderingen in de vermogenselektronica. GaN en SiC dragen met hun superieure efficiëntie en functionaliteit aanzienlijk bij aan de vervanging van silicium in kritische vermogenselektronica-toepassingen. Deze materialen verminderen de energieverspilling en brengen aanzienlijke milieuvoordelen met zich mee.

Deze nieuwe technologische ontwikkelingen geven niet alleen vorm aan de halfgeleiderindustrie, maar benadrukken ook het ontwikkelingstraject voor de komende jaren. Terwijl de grenzen van de technologie voortdurend worden verlegd, is de enige constante constante innovatie.