本文精选了2023年内全球半导体行业最重要的9项技术创新，并详细讲解了这些技术。从新型热晶体管到速度更快的半导体材料，这些最重要的技术术创新，推动着半导体行业不断的向前发展。

1. 热晶体管问世

加州大学洛杉矶分校的研究小组研制的一种革命性的热晶体管（thermal transistor），取得了突破性的技术成就。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与伦比的潜力。

这种新型的全固态热晶体管，用电场效应来精确控制半导元件内部的热运动。在原子级设计和分子工程方面，进行计算机芯片热管理，具有无可比拟的潜力。并且与当前半导体制造工艺的兼容性。

该晶体管实现了超过1兆赫兹的破纪录开关速度，在热导率方面提供了1300 %的可调性，超越了以前在热导率调节方面的限制。

为了验证这项技术，采用了自组装分子界面，通过电场精确调节热阻，演示了热量的运动控制过程。

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，而且有望从分子级别上，推进到活细胞热管理领域。

技术支持由加州大学洛杉矶分校纳米实验室和CNSI提供，信息资源来自加州大学洛杉矶分校数字研究与教育和先进网络基础设施协调生态系统研究所。

2. ASML的EUV光刻机升级

2023年，ASML已将其首台High-NA EUV扫描式光刻机Twinscan EXE:5000交付给英特尔。这台设备合作开发开始于2018年。英特尔计划在2025年部署用于大批量生产的商用级Twinscan EXE:5200设备。

High-NA EUV扫描光刻机的0.55 NA镜头保证了8nm的分辨率，这对于3nm以上的先进芯片生产至关重要。作为第一家采用这一尖端设备的公司，英特尔在制定行业标准方面获得了战略优势，有可能在未来超过竞争对手三星和台积电。

High-NA扫描仪功能独特，光标尺寸再次减半，需要大量的基础设施投资。英特尔最先采用这一最新技术，是其下部署更先进的生产技术的关键准备步骤。ASML承诺到2027-2028年每年生产20套High-NA EUV光刻机，使这一技术成为未来的主要设备。英特尔志在成为领头羊。

3. 人工智能进行芯片设计

谷歌发表的一篇有争议的研究论文，断言人工智能在芯片设计方面的实力，引起行业震撼。

谷歌声称，人工智能技术加快了其人工智能芯片底层处理单元的布局规划，用时不到6小时，远超人类专家。

这款名为TPU v5的芯片现在引发了争议。谷歌声称，其目的不是取代人类设计师，而是展示人工智能可以协作进行芯片设计的工作（美国人也怕人工智能抢饭碗，谷歌说我们只是试着玩玩，不会用的。您信吗)。

尽管有同行研究人员对这项研究的有效性表示质疑，尽管挑战依然存在，但这在推动技术创新方面的非常重要性。技术成熟后，芯片设计行业的格局又要大变天了。

4. 芯片反向供电技术

英特尔正在谨慎地引入一项新技术，PowerVia，同时推出带状场效应晶体管(RibbonFET)。PowerVia采用后置电源传输，将电源互连置于硅材料底部，从而使频率提升6%，设计更紧凑，功耗降低30%。

测试表明，成本没有增加，可靠性也没有降低。制造工艺过程包括纳米钻孔tsv，粘合载体晶圆和在芯片底部建立电源互连。尽管增加了复杂性，英特尔在没有电源互连的情况下通过优化M0层实现了成本节约。

PowerVia成功集成到英特尔的生产工艺中，为2024年采用带状FET晶体管的20A节点铺平了道路，有可能在纳米片晶体管和背面功率传输方面超过台积电和三星等竞争对手。

5. 激光集成芯片

光子集成电路(PICs)已经得到了广泛的应用，部署在高速光收发器和激光雷达等应用中。然而，由于硅的发光效率有限，将激光集成到硅光子芯片上是一个很大的挑战。比利时的纳米电子研究开发中心Imec引领了这项研究。在倒装芯片加工中，激光芯被精确地对准到亚微米精度，被转移并粘合到硅光子学晶圆上。

晶圆级硅光子工艺实现了高达80%的耦合效率，一些应用实例也达到了令人满意的60%，这展示了这种方法的有效性。

转移激光芯的方法有多种，一种是微移印技术，利用粘合剂或分子键合，进行快速的组装和耦合。在需要集成大量3-5级组件的高通量场景中有很高应用价值。晶圆键合是3-5级硅晶圆键合的另一种方式，可以并行处理多个器件，针对光学接口有更高的效率。

Imec的技术是单片集成，也叫是纳米脊工程(NRE：nano ridge engineering），代表了一种前沿的方法。这种方法中使用沟槽限制缺陷，旨在在硅上无缺陷地生长3-5级材料。

Imec NRE技术，可以在300毫米硅生产线上生产高质量GaAs-Base光电二极管。

倒装芯片加工具有简单性和灵活性，但受其顺序性的限制，影响了生产能。相比之下，微转移印刷和晶圆键合虽然需要更高的成本，但在要求每个光子IC有多个激光器的应用中，具有更高的能产能和更低的成本潜力。单片集成，特别是NRE，是一个有前途的方向，解决了直接在硅上无缺陷生长的基本元件的问题。随着这一工艺的普及和发展，有望更好地服务于硅光子学领域的各种应用需求。

6. 光子聚变Photon Fusion

斯坦福大学康格里夫实验室(Congreve Lab)的研究人员正在开拓光变色技术，其重点是增频转换，即将两个低能光子转换为一个高能光子的过程（Photon Fusion)。利用三重三重态湮灭方法（triplet-triplet annihilation method），利用含重金属的三重态光敏特性，如钯、铱或铂，以及激发剂材料，如红宝石（rubrene），该团队已经实现了高能量光子的有效发射。

该工艺将光的波长转换成硅太阳能电池可吸收的波长，也就是转换光的颜色（color-changing technology）。该工艺已被应用于提高太阳能效率，可以将太阳能效率提高15-20%。

此外，研究实验已经可以进行3D打印的增频转换，允许使用低功率激光在特定点精确固化树脂，为增材制造提供了新的可能性。这种低功率激光器可以在纳米尺度上并行快速打印物体，克服了目前打印精度的限制。

这种变革性技术不仅解决了太阳能和3D打印方面的挑战，而且还有望应用于多种应用，包括深层组织成像、光遗传学、夜视系统和防伪方案。研究人员探索了近红外光束增频转换的应用技术，深入到活体组织中进行深层组织成像、光遗传学和局部化学反应应用。

Congreve实验室的工作展示了增频转换技术在各个行业的多样化和变革性可能性，这仅仅是其潜在应用的开始。

7.芯片级电子加速器

埃尔兰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（chip-sized electron accelerators）。该团队利用介电材料在芯片上制造加速器，制造了一个225纳米宽、长0.5毫米的通道，通过精确定时的红外激光脉冲和733根高2微米的硅柱，可以将电子能量显著提高43%。

这为加速器物理领域提供了一个重大飞跃，纳米光子电子加速器，可以使用标准的洁净室技术(如电子束光刻)来构建。研究人员的目标是开发小型加速器，探索同步加速器光源、自由电子激光器和寻找轻量暗物质的应用。

8.新型高速半导体的材料

科学家们已经发现了声称是迄今为止速度最快、效率最高的半导体材料Re6Se8Cl2。该材料由铼、硒和氯组成，形成被称为“超原子 superatoms”团簇。这些超原子创造了一种独特的结构，在这种结构中，电子和电子空穴的束缚态激子（excitons）与声子（phonons）结合在一起，而不是散射态，从而产生新的准粒子，称为声学激子-极化子（acoustic exciton-polarons）。以下是这种新型超级半导体的一些关键特性：

★ Re6Se8Cl2具有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。

★ 与电子在短距离内散射的传统半导体不同，Re6Se8Cl2中的激子极化子在纳秒内跨越几微米，表现出卓越的速度性能。

★ 该半导体基于光控而不是电流来运行，处理速度达到飞秒，比目前的千兆赫电子设备快很多。

★ Re6Se8Cl2是一种范德华材料（der Waals material），是超原子半导体家族的一部分。但是，铼是一种很稀的材料，研究人员正在寻找类似性能的替代材料。

★ 声学激子-极化子，可以为非常规材料提供一种实现远程能量流的新方法，将其应用范围扩展到传统半导体用途之外。

★ 利用激子而不是电子，可以作为高效的光探测器或在计算中找到应用，以提高能源效率和性能。潜在的器件，如“弹道晶体管”。

研究人员强调，虽然激子像电子一样携带信息和能量，但它们可能无法与当前的半导体工业硬件直接兼容。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的途径。

这里新概念比较多，加一些名词解释：

Excitons 激子

激子是一种准粒子，在固体物理学中用来描述在晶体材料中电子和空穴（带正电的空位）通过库仑力相互作用的系统。

phonons声子

声子是量子力学中用来描述晶格振动简正模的最小能量量子，即晶格振动的能量量子化后的能量子。

superatoms 超原子，超级原子

superatoms是由若干原子组成的具有类似于原子特性的稳定结构单元。其物理和化学性质随所含原子数目、结构和组分的变化而变化。

quasiparticles准粒子

准粒子是一种在特定条件下，由于相互作用而暂时形成的、具有集体性质的、与通常基本粒子不同的新粒子态。例如，在超导体中，电子与声子的相互作用系统可形成库珀对，这是一种带电的玻色子，它在超导体中起着类似于通常电子的作用，因此可把它看成是一种准粒子。

9.半导体可持续性的问题:氮化镓与碳化硅

由于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体对传统硅技术的优势，电力电子领域正在发生翻天覆地的变化。基于化合物半导体领域的氮化镓在2001年左右引发了照明领域的革命性变革，迅速引领了全球50%以上的氮化镓基LED照明市场。这一转变不仅减少了30%到40%的照明用电量，而且还为电力电子领域更广泛的革命奠定了基础。GaN和SiC以其卓越的效率和功能做出了巨大贡献，正在关键的电力电子应用中取代硅。这两种材料减少了能源浪费，也带来巨大的环境效益。

从电动汽车逆变器和太阳能微逆变器到5G基站和军用雷达系统，GaN和SiC之间的竞争动态在各个领域展开。SiC目前在某些高压应用中占主导地位。GaN的更高开关速度，使其在微波系统，以及效率和尺寸至关重要的场景中，有着更强的竞争力。

这些新的技术进步，塑造半导体行业的同时，也突显了未来几年半导体行业的发展方向。技术的界限在不断被突破，唯一不变的是不断地创新

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