1. Pojawienie się tranzystorów termicznych

Rewolucyjny tranzystor termiczny opracowany przez zespół badawczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) osiągnął przełomowy postęp technologiczny. Posiada niezrównany potencjał w projektowaniu na poziomie atomowym i inżynierii molekularnej w zakresie zarządzania ciepłem chipów komputerowych.

Ten nowy typ całkowicie półprzewodnikowego tranzystora termicznego wykorzystuje efekty pola elektrycznego do precyzyjnej kontroli ruchu ciepła w elementach półprzewodnikowych. Posiada niezrównany potencjał w projektowaniu na poziomie atomowym i inżynierii molekularnej w zakresie zarządzania ciepłem chipów komputerowych, a jednocześnie wykazuje doskonałą kompatybilność z obecnymi procesami produkcji półprzewodników.

Tranzystor ten osiągnął rekordową prędkość przełączania przekraczającą 1 teraherc i oferuje możliwość regulacji przewodności cieplnej na poziomie 1300%, przewyższając wcześniejsze ograniczenia w modulacji przewodności cieplnej.

Aby zweryfikować tę technologię, wykorzystano samoorganizujące się interfejsy molekularne w celu precyzyjnego dostosowania oporu cieplnego za pomocą pola elektrycznego, co wykazało kontrolę ruchu ciepła.

Ta skalowalna innowacja technologiczna nie tylko oznacza znaczący skok w produkcji i wydajności chipów, ale także daje nadzieję na postęp w zarządzaniu ciepłem na poziomie molekularnym, potencjalnie rozciągając się na sferę żywych komórek.

Wsparcie techniczne zapewnia Ośrodek Badań nad Nanoelektroniką UCLA i CNSI, przy czym zasoby informacyjne pochodzą z działu badań cyfrowych i edukacji Biblioteki UCLA oraz z Ekosystemu Koordynującego Zaawansowaną Infrastrukturę Sieciową Instytutu Badań Cyfrowych i Edukacji.

2. Ulepszenia maszyn litograficznych EUV firmy ASML

W 2023 roku firma ASML dostarczyła firmie Intel swój pierwszy skaner High-NA EUV, Twinscan EXE:5000. Wspólny rozwój tej maszyny rozpoczął się w 2018 r. Intel planuje wdrożyć komercyjny procesor Twinscan EXE:5200 do produkcji wielkoseryjnej w 2025 r.

Soczewka 0.55 NA skanera High-NA EUV zapewnia rozdzielczość 8 nm, która jest kluczowa dla produkcji zaawansowanych chipów w technologii 3 nm i większej. Jako pierwsza firma, która zastosowała ten najnowocześniejszy sprzęt, Intel zyskuje strategiczną przewagę w wyznaczaniu standardów branżowych, potencjalnie przewyższając w przyszłości konkurentów Samsunga i TSMC.

Skaner High-NA charakteryzuje się wyjątkowymi możliwościami, a rozmiar wiązki jest ponownie zmniejszony o połowę, co wymaga znacznych inwestycji w infrastrukturę. Wczesne przyjęcie przez firmę Intel tej najnowszej technologii jest kluczowym krokiem przygotowawczym do wdrożenia bardziej zaawansowanych technik produkcyjnych. Firma ASML zobowiązała się do corocznej produkcji 20 skanerów High-NA EUV do lat 2027–2028, traktując tę ​​technologię jako kamień węgielny przyszłego rozwoju. Celem Intel jest zdobycie pozycji lidera branży.

3. Chipy zaprojektowane przez sztuczną inteligencję

Kontrowersyjny artykuł badawczy opublikowany przez Google stwierdza znaczny postęp w sztucznej inteligencji w projektowaniu chipów, wywołując falę uderzeniową w branży.

Google twierdzi, że opracowana przez niego technologia sztucznej inteligencji przyspieszyła planowanie układu podstawowych jednostek przetwarzających chip AI, wykonując to zadanie w czasie krótszym niż sześć godzin, znacznie przekraczając możliwości ludzkich ekspertów.

Układ TPU v5 wywołał kontrowersje. Google twierdzi, że jego celem nie jest zastąpienie ludzkich projektantów, ale pokazanie, że sztuczna inteligencja może współpracować w procesie projektowania chipów. (Amerykanie również martwią się, że sztuczna inteligencja odbierze im pracę, a Google twierdzi, że po prostu eksperymentują i tak naprawdę nie będą z niej korzystać. Wierzycie im?)

Pomimo sceptycyzmu ze strony innych badaczy co do zasadności tego badania i istniejących wyzwań, odgrywa ono kluczową rolę w napędzaniu innowacji technologicznych. Gdy technologia dojrzeje, krajobraz branży projektowania chipów czeka poważna transformacja.

4. Technologia odwrotnego zasilania chipów

Intel ostrożnie wprowadza nową technologię PowerVia wraz z premierą RibbonFET. PowerVia wykorzystuje tylne zasilanie poprzez umieszczenie interkonektów mocy na spodzie krzemu, co skutkuje wzrostem częstotliwości o 6%, bardziej zwartą konstrukcją i redukcją rozpraszania mocy o 30%.

Testy wskazują, że nie następuje wzrost kosztów i zmniejszenie niezawodności. Proces produkcyjny obejmuje nanoskalę poprzez wiercenie (TSV), łączenie płytek nośnych i ustanawianie wzajemnych połączeń zasilających na spodzie chipa. Pomimo dodatkowej złożoności firma Intel osiągnęła oszczędności dzięki optymalizacji warstwy M0 bez połączeń międzysystemowych.

PowerVia została pomyślnie zintegrowana z procesem produkcyjnym firmy Intel, torując drogę dla węzła 20 A z tranzystorami RibbonFET w 2024 r. Dzięki temu postępowi Intel może potencjalnie wyprzedzić konkurentów, takich jak TSMC i Samsung, w zakresie tranzystorów nanoarkuszowych i dostarczania mocy od tyłu.

5. Zintegrowany układ laserowy

Fotoniczne układy scalone (PIC) znalazły szerokie zastosowanie w szybkich optycznych transceiverach i zastosowaniach takich jak LIDAR. Jednakże integracja laserów z krzemowymi chipami fotonicznymi pozostaje poważnym wyzwaniem ze względu na ograniczoną wydajność emisji krzemu. Belgijskie centrum badawcze nanoelektroniki Imec kieruje tym przedsięwzięciem badawczym. W procesie zwanym łączeniem typu flip-chip matryce laserowe są precyzyjnie wyrównywane z dokładnością poniżej mikrona, przenoszone i łączone z krzemowymi płytkami fotonicznymi.

W procesie fotoniki krzemowej na poziomie płytki osiągnięto skuteczność sprzęgania do 80%, a w niektórych przykładach zastosowań osiągającą zadowalające 60%. To pokazuje skuteczność tego podejścia.

Istnieją różne metody przenoszenia matryc laserowych. Jednym z podejść jest druk mikrotransferowy, który wykorzystuje kleje lub wiązania molekularne w celu szybkiego montażu i łączenia. Metoda ta jest bardzo cenna w scenariuszach o dużej przepustowości, gdzie należy zintegrować dużą liczbę komponentów III-V. Łączenie płytek to kolejna technika łączenia materiałów III-V z płytkami krzemowymi, umożliwiająca równoległe przetwarzanie wielu urządzeń i zapewniająca wyższą wydajność interfejsów optycznych.

Technologia firmy Imec to integracja monolityczna, znana również jako Nano Ridge Engineering (NRE), reprezentująca najnowocześniejsze podejście. Metoda ta wykorzystuje uwięzienie w rowach w celu ograniczenia defektów, mając na celu osiągnięcie pozbawionego defektów wzrostu materiałów III-V na krzemie.

Technologia NRE firmy Imec umożliwia produkcję wysokiej jakości fotodiod na bazie GaAs na linii produkcyjnej opartej na krzemie o średnicy 300 mm.

Przetwarzanie typu flip-chip zapewnia prostotę i elastyczność, ale jego sekwencyjny charakter ogranicza wydajność produkcji. Z kolei druk mikrotransferowy i klejenie płytek, mimo że wymagają wyższych kosztów, wykazują wyższą przepustowość i niższy potencjał kosztowy w zastosowaniach wymagających wielu laserów na układ scalony fotonu. Integracja monolityczna, w szczególności NRE, stanowi obiecujący kierunek, podejmując podstawowe wyzwanie, jakim jest rozwój bez defektów bezpośrednio na krzemie w przypadku podstawowych komponentów. Wraz z upowszechnieniem i postępem tego procesu, będzie on mógł lepiej służyć różnym potrzebom aplikacyjnym w dziedzinie fotoniki krzemowej.

6. Fuzja fotonów

Naukowcy z Congreve Lab na Uniwersytecie Stanforda są pionierami technologii fotochromowej, koncentrując się na konwersji częstotliwości w górę, która przekształca dwa fotony o niskiej energii w jeden foton o wysokiej energii. Stosując metodę anihilacji triplet-triplet i wykorzystując właściwości uwrażliwiające triplet metali ciężkich, takich jak pallad, iryd czy platyna, wraz z materiałami wzbudzalnymi, takimi jak rubren, zespołowi udało się osiągnąć wydajną emisję fotonów o wysokiej energii.

Proces ten przekształca długość fali światła w długość fali, która może zostać pochłonięta przez krzemowe ogniwa słoneczne, zasadniczo zmieniając kolor światła (technologia zmiany koloru). Technikę tę zastosowano w celu zwiększenia efektywności wykorzystania energii słonecznej, potencjalnie zwiększając ją o 15-20%.

Dodatkowo eksperymenty badawcze wykazały możliwość druku 3D z technologią upconversion, pozwalającą na precyzyjne utwardzanie żywicy w określonych punktach przy użyciu laserów małej mocy. Daje to nowe możliwości w zakresie wytwarzania przyrostowego. Te lasery małej mocy mogą szybko i równolegle drukować obiekty w nanoskali, pokonując obecne ograniczenia precyzji drukowania.

Ta rewolucyjna technologia nie tylko rozwiązuje problemy związane z energią słoneczną i drukiem 3D, ale także jest obiecująca w różnych zastosowaniach, w tym obrazowaniu głębokich tkanek, optogenetyce, systemach noktowizyjnych i rozwiązaniach zapobiegających podrabianiu. Naukowcy zbadali zastosowanie technologii konwersji częstotliwości światła w bliskiej podczerwieni do obrazowania głębokich tkanek, optogenetyki i zastosowań zlokalizowanych reakcji chemicznych w żywych tkankach.

Praca Congreve Lab ukazuje różnorodny i transformacyjny potencjał technologii konwersji częstotliwości w różnych gałęziach przemysłu, wyznaczając dopiero początek jej potencjalnych zastosowań.

7. Akcelerator elektronów w skali chipa

Fizycy z Uniwersytetu Erlangen-Norymberga poczynili znaczące postępy w dziedzinie akceleratorów elektronów wielkości chipów. Zespół wyprodukował akcelerator na chipie, wykorzystując materiały dielektryczne, tworząc kanał o szerokości 225 nanometrów i długości 0.5 milimetra. Dzięki zastosowaniu precyzyjnie dobranych w czasie impulsów lasera podczerwonego i 733 słupków krzemowych o wysokości 2 mikrometrów każdy był w stanie zwiększyć energię elektronów o imponujące 43%.

Stanowi to znaczący krok naprzód w dziedzinie fizyki akceleratorów. Nanofotoniczne akceleratory elektronów można konstruować przy użyciu standardowych technik pomieszczeń czystych, takich jak litografia wiązką elektronów. Celem naukowców jest opracowanie kompaktowych akceleratorów do zbadania zastosowań w synchrotronowych źródłach światła, laserach na swobodnych elektronach i poszukiwaniu lekkiej ciemnej materii.

8.Nowe materiały na półprzewodniki dużej prędkości

Naukowcy odkryli najszybszy i najbardziej wydajny jak dotąd materiał półprzewodnikowy, Re6Se8Cl2. Materiał ten składa się z renu, selenu i chloru, tworząc skupiska zwane „superatomami”. Te superatomy tworzą unikalną strukturę, w której związane ekscytony (pary elektron-dziura) oddziałują z fononami, a nie stanami rozpraszania, w wyniku czego powstają nowe kwazicząstki zwane ekscytonami akustycznymi-polaronami.

Oto kilka kluczowych cech tego nowatorskiego super półprzewodnika:

★ Re6Se8Cl2 wykazuje ciągły ruch ekscytonów balistycznych w temperaturze pokojowej, przy czym prędkość ruchu polaronów ekscytonów akustycznych jest dwukrotnie większa niż elektronów w krzemie.

★ W przeciwieństwie do tradycyjnych półprzewodników, w których elektrony rozpraszają się na krótkie odległości, polarony ekscytonowe w Re6Se8Cl2 pokonują kilka mikrometrów w ciągu nanosekund, wykazując wyjątkową prędkość.

★ Ten półprzewodnik działa w oparciu o sterowanie światłem, a nie prądem elektrycznym, osiągając prędkości przetwarzania w zakresie femtosekund, czyli znacznie szybciej niż obecnie dostępne urządzenia elektroniczne o zakresie gigaherców.

★ Re6Se8Cl2 to materiał van der Waalsa należący do rodziny półprzewodników nadatomowych. Ren jest jednak pierwiastkiem rzadkim, dlatego badacze poszukują alternatywnych materiałów o podobnych właściwościach.

★ Ekscytony akustyczne-polarony oferują nowatorską metodę uzyskiwania przenoszenia energii na duże odległości w materiałach niekonwencjonalnych, rozszerzając ich zastosowanie poza tradycyjne zastosowania półprzewodników.

★ Wykorzystanie ekscytonów zamiast elektronów może służyć jako wydajne fotodetektory lub znaleźć zastosowanie w informatyce w celu zwiększenia efektywności energetycznej i wydajności. Potencjalne urządzenia obejmują „tranzystory balistyczne”.

Naukowcy podkreślają, że chociaż ekscytony przenoszą informacje i energię podobnie jak elektrony, mogą nie być bezpośrednio kompatybilne z obecnym sprzętem przemysłowym zajmującym się półprzewodnikami. Odkrycia te otwierają nowe możliwości projektowania zaawansowanych urządzeń półprzewodnikowych o unikalnych funkcjonalnościach.

Jest tu wiele nowych koncepcji, więc dodajmy kilka wyjaśnień:

ekscytony

Ekscyton to kwazicząstka używana w fizyce ciała stałego do opisu układu, w którym elektron i dziura (dodatnio naładowana wakat) oddziałują poprzez siły Coulomba w materiale krystalicznym.

Fonony

Fonon jest skwantyzowaną jednostką drgań sieci, reprezentującą najmniejszy kwant energii związany z normalnym trybem wibracji w sieci krystalicznej, zgodnie z opisem w mechanice kwantowej.

Superatomy

Superatomy to stabilne jednostki strukturalne złożone z kilku atomów, które wykazują właściwości podobne do właściwości pojedynczych atomów. Ich właściwości fizyczne i chemiczne różnią się w zależności od liczby atomów składowych, ich struktury i składu.

Kwazicząstki

Kwazicząstka to nowy stan podobny do cząstki, który tymczasowo tworzy się w określonych warunkach w wyniku interakcji, wykazując zbiorowe właściwości różniące się od zwykłych cząstek elementarnych. Na przykład w nadprzewodnikach interakcja między elektronami i fononami może tworzyć pary Coopera, które są naładowanymi bozonami działającymi podobnie do konwencjonalnych elektronów w nadprzewodniku. Zatem pary Coopera można uznać za kwazicząstki.

9. Zagadnienia zrównoważonego rozwoju w półprzewodnikach: azotek galu a węglik krzemu

Ze względu na zalety półprzewodników z azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC) w porównaniu z tradycyjną technologią krzemową, dziedzina energoelektroniki przechodzi znaczącą transformację. Około 2001 roku półprzewodniki złożone na bazie GaN zapoczątkowały rewolucyjną zmianę w branży oświetleniowej, szybko zdobywając ponad 50% światowego rynku oświetlenia LED na bazie GaN. Ta zmiana nie tylko zmniejszyła zużycie energii elektrycznej na oświetlenie o 30–40%, ale także położyła podwaliny pod szersze, rewolucyjne zmiany w energoelektronice. GaN i SiC dzięki swojej doskonałej wydajności i funkcjonalności znacząco przyczyniają się do zastąpienia krzemu w krytycznych zastosowaniach energoelektroniki. Materiały te zmniejszają straty energii i przynoszą znaczne korzyści dla środowiska.

Te nowe osiągnięcia technologiczne, kształtując przemysł półprzewodników, podkreślają także jego trajektorię rozwoju na nadchodzące lata. Ponieważ granice technologii są nieustannie przesuwane, jedyną stałą jest nieustanna innowacja.