De "prestatiecode" van geavanceerde productieprocessen: Zeldzame aardmetalen maken transistors "energie-efficiënter en sneller"

Wanneer het productieproces de sub-7-nanometer range betreedt, is de dikte van de gate-diëlektrische laag van transistors minder dan 5 nanometer - equivalent aan 30 atomen naast elkaar. Op dit punt zal de traditionele siliciumdioxide (SiO₂) diëlektricum lekken als gevolg van het "tunneleffect", waardoor energie wordt verspild als een "lekkende batterij". De toevoeging van zeldzame aarde-elementen heeft het voor halfgeleiders mogelijk gemaakt om door deze fysieke limiet te breken.

Het high-k diëlektrische proces is de kern van de oplossing. Momenteel is het mainstream high-k materiaal hafniumoxide (HfO₂), maar de diëlektrische constante (k-waarde) van puur HfO₂ is ongeveer 25, wat nog steeds onvoldoende is om het 3-nanometer proces te ondersteunen. Daarom zijn twee zeldzame aarde-elementen, lanthanum (La) en yttrium (Y), "uitgenodigd" in de diëlektrische laag: een paar angstroms dikke laag lanthanumoxide (La₂O₃) wordt afgezet op het oppervlak van HfO₂. Na annealing bij hoge temperatuur zullen lanthanum-ionen diffunderen naar de interface tussen het diëlektricum en silicium, waardoor "interface dipolen" ontstaan, wat lijkt op het installeren van een "spanningsregelaar" voor de transistor, waardoor de drempelspanning met meer dan 0,2V wordt verlaagd. Dit betekent dat bij dezelfde prestaties het energieverbruik van de chip met 30% kan worden verminderd; bij hetzelfde energieverbruik kan de schakelsnelheid met 20% worden verhoogd.

Deze "zeldzame aarde-empowerment" breidt zich ook uit naar meer geavanceerde gebieden. De thulium (Tm) laser ontwikkeld door het Lawrence Livermore National Laboratory in de Verenigde Staten gebruikt thulium-ionen om 2μm lasers te genereren, wat naar verwachting de efficiëntie van EUV-lichtbronnen kan verhogen van de huidige 0,02% naar 0,2% - dit betekent dat het energieverbruik van lithografiemachines met 90% kan worden verminderd en de kosten kunnen worden gehalveerd. Op het 5G RF-gebied hebben aluminium scandiumnitride (AlScN) films, door de toevoeging van scandium (Sc), een piëzo-elektrische prestatie die drie keer zo hoog is als die van puur aluminiumnitride (AlN), waardoor ze de "prestatiekoning" van BAW-filters zijn en direct bepalen of mobiele telefoons snelle communicatie in de 5G hoogfrequente band kunnen bereiken.