1.热敏晶体管的出现

加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 研究团队研发的革命性热晶体管取得了突破性技术进步，在计算机芯片热管理的原子级设计和分子工程方面具有无可比拟的潜力。

这种新型全固态热晶体管利用电场效应精确控制半导体元件内的热量运动，在原子级设计和分子工程中为计算机芯片的热管理带来无可比拟的潜力，同时与目前的半导体制造工艺具有极好的兼容性。

该晶体管实现了超过1太赫兹的破纪录开关速度，并提供了1300％的热导率可调性，超越了以往热导率调节的限制。

为了验证这项技术，自组装分子界面被用来通过电场精确调节热阻，从而展示对热运动的控制。

这种可扩展的技术创新不仅标志着芯片制造和性能的重大飞跃，而且有望推动分子水平的热管理，并有可能扩展到活细胞领域。

技术支持由加州大学洛杉矶分校纳米电子研究机构和 CNSI 提供，信息资源来自加州大学洛杉矶分校图书馆的数字研究和教育部门以及数字研究和教育研究所的先进网络基础设施协调生态系统。

2. ASML 的 EUV 光刻机升级

2023 年，ASML 向英特尔交付了首台高数值孔径 EUV 扫描仪 Twinscan EXE:5000。该机器的合作开发始于 2018 年。英特尔计划在 5200 年部署商用级 Twinscan EXE:2025 进行大批量生产。

这款高数值孔径EUV光刻机的0.55数值孔径镜头可确保8nm分辨率，这对于生产3nm及以下制程的先进芯片至关重要。作为首家采用这项尖端设备的公司，英特尔在制定行业标准方面获得了战略优势，未来有望超越竞争对手三星和台积电。

高数值孔径扫描仪具有独特的功能，光束尺寸再次减半，需要大量基础设施投资。英特尔提前采用这项最新技术是部署更先进制造技术的关键准备步骤。ASML 承诺到 20-2027 年每年生产 2028 台高数值孔径 EUV 扫描仪，将这项技术定位为未来进步的基石。英特尔的目标是成为行业领导者。

3. 人工智能设计的芯片

谷歌发表的一篇备受争议的研究论文声称其在芯片设计的人工智能方面取得了重大进展，引起了业界的震动。

谷歌声称，其人工智能技术已经加速了AI芯片底层处理单元的布局规划，在不到6个小时的时间内完成任务，远远超越了人类专家的能力。

TPU v5 芯片引发争议，谷歌声称其目的并非取代人类设计师，而是展示 AI 可以在芯片设计过程中进行协作。（美国人也担心 AI 抢走他们的工作，谷歌称他们只是在试验，不会真正使用它。你相信吗？）

尽管同行研究人员对这项研究的有效性和仍然存在的挑战持怀疑态度，但它在推动技术创新方面发挥着至关重要的作用。一旦技术成熟，芯片设计行业的格局将发生重大转变。

4.芯片反向供电技术

在推出 RibbonFET 的同时，英特尔还谨慎地推出了一项新技术 PowerVia。PowerVia 通过将电源互连置于硅片底部，采用背面供电，从而将频率提高了 6%，设计更加紧凑，并将功耗降低了 30%。

测试表明，成本没有增加，可靠性也没有降低。制造过程包括纳米级通孔钻孔 (TSV)、载体晶圆的键合以及在芯片底部建立电源互连。尽管增加了复杂性，但英特尔通过优化没有电源互连的 M0 层实现了成本节省。

PowerVia 已成功集成到英特尔的生产流程中，为 2024 年采用 RibbonFET 晶体管的 20A 节点铺平了道路。这一进步使英特尔有望在纳米片晶体管和背面供电方面超越台积电和三星等竞争对手。

5.激光集成芯片

光子集成电路 (PIC) 已广泛应用于高速光收发器和激光雷达等应用。然而，由于硅的发射效率有限，将激光器集成到硅光子芯片上仍然是一项重大挑战。比利时纳米电子研究中心 Imec 领导了这项研究工作。在一种称为倒装芯片键合的工艺中，激光芯片以亚微米精度精确对准，然后转移并键合到硅光子晶片上。

晶圆级硅光子学工艺已实现高达80%的耦合效率，一些应用实例达到了令人满意的60%，证明了该方法的有效性。

转移激光芯片的方法多种多样。一种方法是微转移打印，它使用粘合剂或分子键合进行快速组装和耦合。这种方法在需要集成大量 III-V 族组件的高吞吐量场景中非常有价值。晶圆键合是将 III-V 族材料键合到硅晶圆上的另一种技术，允许并行处理多个设备并为光学接口提供更高的效率。

Imec 的技术是单片集成，也称为纳米脊工程（NRE），代表了一种前沿方法。该方法利用沟槽限制来限制缺陷，旨在实现硅上 III-V 材料的无缺陷生长。

Imec 的 NRE 技术能够在 300 毫米硅生产线上生产高质量的基于 GaAs 的光电二极管。

倒装芯片工艺简单灵活，但其顺序性限制了生产效率。相比之下，微转移印刷和晶圆键合虽然成本较高，但在需要每个光子 IC 配备多个激光器的应用中，却具有更高的吞吐量和更低的成本潜力。单片集成，尤其是 NRE，通过解决在硅上直接无缺陷生长基本组件这一根本挑战，代表了一个有希望的方向。随着该工艺的传播和进步，它将更好地满足硅光子学领域的各种应用需求。

6. 光子聚变

斯坦福大学康格里夫实验室的研究人员正在开发光致变色技术，专注于频率上转换，将两个低能光子转换为一个高能光子。该团队利用三重态-三重态湮没法，并利用钯、铱或铂等重金属的三重态敏化特性以及红荧烯等可激发材料，成功实现了高能光子的高效发射。

这一过程将光的波长转换为硅太阳能电池可以吸收的波长，从根本上改变了光的颜色（变色技术）。该技术已被用于提高太阳能效率，可能将其提高 15-20%。

此外，研究实验还展示了采用上转换技术的 3D 打印能力，可使用低功率激光在特定点精确固化树脂。这为增材制造提供了新的可能性。这些低功率激光器可以快速并行打印纳米级物体，克服了当前打印精度的限制。

这项变革性技术不仅解决了太阳能和 3D 打印领域的挑战，还为深层组织成像、光遗传学、夜视系统和防伪解决方案等各种应用带来了希望。研究人员已经探索了近红外光频率上转换技术在深层组织成像、光遗传学和活体组织内局部化学反应应用中的应用。

Congreve 实验室的工作展示了频率上变频技术在各个行业的多样化和变革潜力，这仅仅标志着其潜在应用的开始。

7.芯片级电子加速器

埃尔朗根-纽伦堡大学的物理学家在芯片大小的电子加速器方面取得了重大进展。该团队使用介电材料在芯片上制造了一个加速器，创建了一个 225 纳米宽、0.5 毫米长的通道。通过采用精确定时的红外激光脉冲和 733 个硅柱（每个 2 微米高），他们能够将电子能量提高 43%。

这代表了加速器物理学领域的一次重大飞跃。纳米光子电子加速器可以使用标准的洁净室技术（例如电子束光刻）构建。研究人员旨在开发紧凑型加速器，以探索同步加速器光源、自由电子激光器和轻量暗物质搜索中的应用。

8.高速半导体新材料

科学家们发现了迄今为止速度最快、效率最高的半导体材料 Re6Se8Cl2。这种材料由铼、硒和氯组成，形成被称为“超原子”的簇。这些超原子形成了一种独特的结构，其中束缚激子（电子-空穴对）与声子相互作用，而不是散射态，从而产生了称为声激子-极化子的新准粒子。

以下是这种新型超级半导体的一些主要特性：

★ Re6Se8Cl2表现出持续的室温弹道激子运动，声学激子极化子的运动速度是硅中电子的两倍。

★ 与传统半导体中电子在短距离内散射不同，Re6Se8Cl2 中的激子极化子在纳秒内穿过几微米，表现出卓越的速度性能。

★ 该半导体基于光控制而不是电流运行，实现飞秒范围的处理速度，这比目前可用的千兆赫范围的电子设备快得多。

★ Re6Se8Cl2 是一种范德华材料，属于超原子半导体家族。然而，铼是一种稀有元素，因此研究人员正在寻找具有类似特性的替代材料。

★ 声激子极化子为实现非常规材料中的长距离能量传输提供了一种新方法，将其应用扩展到传统半导体用途之外。

★ 利用激子代替电子可以作为高效的光电探测器，或者应用于计算以提高能源效率和性能。潜在的设备包括“弹道晶体管”。

研究人员强调，激子虽然像电子一样携带信息和能量，但它们可能与当前的半导体行业硬件不直接兼容。这些发现为设计具有独特功能的先进半导体器件开辟了新途径。

这里有很多新概念，我们来添加一些解释：

激子

激子是固体物理学中用来描述电子和空穴（带正电的空位）通过晶体材料内的库仑力相互作用的系统的一种准粒子。

声子

声子是晶格振动的量化单位，代表与晶格中正常振动模式相关的最小能量量子，如量子力学所述。

超原子

超原子是由若干个原子组成的稳定结构单元，其性质与单个原子相似，其物理化学性质随组成原子的数量、结构和组成成分而变化。

准粒子

准粒子是一种新的粒子状状态，在特定条件下由于相互作用而暂时形成，表现出与普通基本粒子不同的集体特性。例如，在超导体中，电子和声子之间的相互作用可以形成库珀对，库珀对是带电玻色子，其作用类似于超导体中的常规电子。因此，库珀对可以被视为准粒子。

9.半导体的可持续性问题：氮化镓与碳化硅

由于氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 半导体相对于传统硅技术的优势，电力电子领域正在经历重大变革。2001 年左右，基于 GaN 的化合物半导体引发了照明行业的革命性变化，迅速占领了全球基于 GaN 的 LED 照明市场的 50% 以上。这一转变不仅将照明用电量降低了 30% 至 40%，还为电力电子领域更广泛的革命性变化奠定了基础。GaN 和 SiC 以其卓越的效率和功能为关键电力电子应用中硅的替代做出了重大贡献。这些材料减少了能源浪费并带来了巨大的环境效益。

这些新技术的进步在塑造半导体行业的同时，也凸显了未来几年半导体行业的发展轨迹。随着技术边界不断被突破，唯一不变的是不懈的创新。