本文精選了2023年內全球半導體行業最重要的9項技術創新，並詳細講解了這些技術。從新型熱晶體管到速度更快的半導體材料，這些最重要的技術術創新，推動著半導體行業不斷的向前發展。

1. 熱晶體管問世

加州大學洛杉矶分校的研究小組研制的一種革命性的熱晶體管（thermal transistor），取得了突破性的技術成就。在計算機芯片熱管理的原子級設計和分子工程方面具有無與倫比的潛力。

這種新型的全固態熱晶體管，用電場效應來精確控制半導元件內部的熱運動。在原子級設計和分子工程方面，進行計算機芯片熱管理，具有無可比擬的潛力。並且與當前半導體制造工藝的兼容性。

該晶體管實現了超過1兆赫茲的破紀錄開關速度，在熱導率方面提供了1300 %的可調性，超越了以前在熱導率調節方面的限制。

爲了驗證這項技術，采用了自組裝分子界面，通過電場精確調節熱阻，演示了熱量的運動控制過程。

這種可擴展的技術創新不僅標志著芯片制造和性能的重大飛躍，而且有望從分子級別上，推進到活細胞熱管理領域。

技術支持由加州大學洛杉矶分校納米實驗室和CNSI提供，信息資源來自加州大學洛杉矶分校數字研究與教育和先進網絡基礎設施協調生態系統研究所。

2. ASML的EUV光刻機升級

2023年，ASML已將其首台High-NA EUV掃描式光刻機Twinscan EXE:5000交付給英特爾。這台設備合作開發開始于2018年。英特爾計劃在2025年部署用于大批量生産的商用級Twinscan EXE:5200設備。

High-NA EUV掃描光刻機的0.55 NA鏡頭保證了8nm的分辨率，這對于3nm以上的先進芯片生産至關重要。作爲第一家采用這一尖端設備的公司，英特爾在制定行業標准方面獲得了戰略優勢，有可能在未來超過競爭對手三星和台積電。

High-NA掃描儀功能獨特，光標尺寸再次減半，需要大量的基礎設施投資。英特爾最先采用這一最新技術，是其下部署更先進的生産技術的關鍵准備步驟。ASML承諾到2027-2028年每年生産20套High-NA EUV光刻機，使這一技術成爲未來的主要設備。英特爾志在成爲領頭羊。

3. 人工智能進行芯片設計

谷歌發表的一篇有爭議的研究論文，斷言人工智能在芯片設計方面的實力，引起行業震撼。

谷歌聲稱，人工智能技術加快了其人工智能芯片底層處理單元的布局規劃，用時不到6小時，遠超人類專家。

這款名爲TPU v5的芯片現在引發了爭議。谷歌聲稱，其目的不是取代人類設計師，而是展示人工智能可以協作進行芯片設計的工作（美國人也怕人工智能搶飯碗，谷歌說我們只是試著玩玩，不會用的。您信嗎)。

盡管有同行研究人員對這項研究的有效性表示質疑，盡管挑戰依然存在，但這在推動技術創新方面的非常重要性。技術成熟後，芯片設計行業的格局又要大變天了。

4. 芯片反向供電技術

英特爾正在謹慎地引入一項新技術，PowerVia，同時推出帶狀場效應晶體管(RibbonFET)。PowerVia采用後置電源傳輸，將電源互連置于硅材料底部，從而使頻率提升6%，設計更緊湊，功耗降低30%。

測試表明，成本沒有增加，可靠性也沒有降低。制造工藝過程包括納米鑽孔tsv，粘合載體晶圓和在芯片底部建立電源互連。盡管增加了複雜性，英特爾在沒有電源互連的情況下通過優化M0層實現了成本節約。

PowerVia成功集成到英特爾的生産工藝中，爲2024年采用帶狀FET晶體管的20A節點鋪平了道路，有可能在納米片晶體管和背面功率傳輸方面超過台積電和三星等競爭對手。

5. 激光集成芯片

光子集成電路(PICs)已經得到了廣泛的應用，部署在高速光收發器和激光雷達等應用中。然而，由于硅的發光效率有限，將激光集成到硅光子芯片上是一個很大的挑戰。比利時的納米電子研究開發中心Imec引領了這項研究。在倒裝芯片加工中，激光芯被精確地對准到亞微米精度，被轉移並粘合到硅光子學晶圓上。

晶圓級硅光子工藝實現了高達80%的耦合效率，一些應用實例也達到了令人滿意的60%，這展示了這種方法的有效性。

轉移激光芯的方法有多種，一種是微移印技術，利用粘合劑或分子鍵合，進行快速的組裝和耦合。在需要集成大量3-5級組件的高通量場景中有很高應用價值。晶圓鍵合是3-5級硅晶圓鍵合的另一種方式，可以並行處理多個器件，針對光學接口有更高的效率。

Imec的技術是單片集成，也叫是納米脊工程(NRE：nano ridge engineering），代表了一種前沿的方法。這種方法中使用溝槽限制缺陷，旨在在硅上無缺陷地生長3-5級材料。

Imec NRE技術，可以在300毫米硅生産線上生産高質量GaAs-Base光電二極管。

倒裝芯片加工具有簡單性和靈活性，但受其順序性的限制，影響了生産能。相比之下，微轉移印刷和晶圓鍵合雖然需要更高的成本，但在要求每個光子IC有多個激光器的應用中，具有更高的能産能和更低的成本潛力。單片集成，特別是NRE，是一個有前途的方向，解決了直接在硅上無缺陷生長的基本元件的問題。隨著這一工藝的普及和發展，有望更好地服務于硅光子學領域的各種應用需求。

6. 光子聚變Photon Fusion

斯坦福大學康格裏夫實驗室(Congreve Lab)的研究人員正在開拓光變色技術，其重點是增頻轉換，即將兩個低能光子轉換爲一個高能光子的過程（Photon Fusion)。利用三重三重態湮滅方法（triplet-triplet annihilation method），利用含重金屬的三重態光敏特性，如钯、銥或鉑，以及激發劑材料，如紅寶石（rubrene），該團隊已經實現了高能量光子的有效發射。

該工藝將光的波長轉換成硅太陽能電池可吸收的波長，也就是轉換光的顔色（color-changing technology）。該工藝已被應用于提高太陽能效率，可以將太陽能效率提高15-20%。

此外，研究實驗已經可以進行3D打印的增頻轉換，允許使用低功率激光在特定點精確固化樹脂，爲增材制造提供了新的可能性。這種低功率激光器可以在納米尺度上並行快速打印物體，克服了目前打印精度的限制。

這種變革性技術不僅解決了太陽能和3D打印方面的挑戰，而且還有望應用于多種應用，包括深層組織成像、光遺傳學、夜視系統和防僞方案。研究人員探索了近紅外光束增頻轉換的應用技術，深入到活體組織中進行深層組織成像、光遺傳學和局部化學反應應用。

Congreve實驗室的工作展示了增頻轉換技術在各個行業的多樣化和變革性可能性，這僅僅是其潛在應用的開始。

7.芯片級電子加速器

埃爾蘭根紐倫堡大學的物理學家在芯片大小的電子加速器方面取得了重大進展（chip-sized electron accelerators）。該團隊利用介電材料在芯片上制造加速器，制造了一個225納米寬、長0.5毫米的通道，通過精確定時的紅外激光脈沖和733根高2微米的硅柱，可以將電子能量顯著提高43%。

這爲加速器物理領域提供了一個重大飛躍，納米光子電子加速器，可以使用標准的潔淨室技術(如電子束光刻)來構建。研究人員的目標是開發小型加速器，探索同步加速器光源、自由電子激光器和尋找輕量暗物質的應用。

8.新型高速半導體的材料

科學家們已經發現了聲稱是迄今爲止速度最快、效率最高的半導體材料Re6Se8Cl2。該材料由铼、硒和氯組成，形成被稱爲“超原子 superatoms”團簇。這些超原子創造了一種獨特的結構，在這種結構中，電子和電子空穴的束縛態激子（excitons）與聲子（phonons）結合在一起，而不是散射態，從而産生新的准粒子，稱爲聲學激子-極化子（acoustic exciton-polarons）。以下是這種新型超級半導體的一些關鍵特性：

★ Re6Se8Cl2具有持續的室溫彈道激子運動，聲學激子極化子的運動速度是硅中電子的兩倍。

★ 與電子在短距離內散射的傳統半導體不同，Re6Se8Cl2中的激子極化子在納秒內跨越幾微米，表現出卓越的速度性能。

★ 該半導體基于光控而不是電流來運行，處理速度達到飛秒，比目前的千兆赫電子設備快很多。

★ Re6Se8Cl2是一種範德華材料（der Waals material），是超原子半導體家族的一部分。但是，铼是一種很稀的材料，研究人員正在尋找類似性能的替代材料。

★ 聲學激子-極化子，可以爲非常規材料提供一種實現遠程能量流的新方法，將其應用範圍擴展到傳統半導體用途之外。

★ 利用激子而不是電子，可以作爲高效的光探測器或在計算中找到應用，以提高能源效率和性能。潛在的器件，如“彈道晶體管”。

研究人員強調，雖然激子像電子一樣攜帶信息和能量，但它們可能無法與當前的半導體工業硬件直接兼容。這些發現爲設計具有獨特功能的先進半導體器件開辟了新的途徑。

這裏新概念比較多，加一些名詞解釋：

Excitons 激子

激子是一種准粒子，在固體物理學中用來描述在晶體材料中電子和空穴（帶正電的空位）通過庫侖力相互作用的系統。

phonons聲子

聲子是量子力學中用來描述晶格振動簡正模的最小能量量子，即晶格振動的能量量子化後的能量子。

superatoms 超原子，超級原子

superatoms是由若幹原子組成的具有類似于原子特性的穩定結構單元。其物理和化學性質隨所含原子數目、結構和組分的變化而變化。

quasiparticles准粒子

准粒子是一種在特定條件下，由于相互作用而暫時形成的、具有集體性質的、與通常基本粒子不同的新粒子態。例如，在超導體中，電子與聲子的相互作用系統可形成庫珀對，這是一種帶電的玻色子，它在超導體中起著類似于通常電子的作用，因此可把它看成是一種准粒子。

9.半導體可持續性的問題:氮化镓與碳化硅

由于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半導體對傳統硅技術的優勢，電力電子領域正在發生翻天覆地的變化。基于化合物半導體領域的氮化镓在2001年左右引發了照明領域的革命性變革，迅速引領了全球50%以上的氮化镓基LED照明市場。這一轉變不僅減少了30%到40%的照明用電量，而且還爲電力電子領域更廣泛的革命奠定了基礎。GaN和SiC以其卓越的效率和功能做出了巨大貢獻，正在關鍵的電力電子應用中取代硅。這兩種材料減少了能源浪費，也帶來巨大的環境效益。

從電動汽車逆變器和太陽能微逆變器到5G基站和軍用雷達系統，GaN和SiC之間的競爭動態在各個領域展開。SiC目前在某些高壓應用中占主導地位。GaN的更高開關速度，使其在微波系統，以及效率和尺寸至關重要的場景中，有著更強的競爭力。

這些新的技術進步，塑造半導體行業的同時，也突顯了未來幾年半導體行業的發展方向。技術的界限在不斷被突破，唯一不變的是不斷地創新

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