Ο "κώδικας απόδοσης" των προηγμένων κατασκευαστικών διαδικασιών: Οι σπάνιες γης κάνουν τα τρανζίστορ "πιο ενεργειακά αποδοτικά και ταχύτερα"

Όταν η διαδικασία κατασκευής εισέρχεται στην περιοχή κάτω των 7 νανομέτρων, το πάχος του διηλεκτρικού στρώματος πύλης των τρανζίστορ είναι μικρότερο από 5 νανόμετρα - ισοδύναμο με 30 άτομα παραταγμένα το ένα δίπλα στο άλλο. Σε αυτό το σημείο, το παραδοσιακό διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂) διηλεκτρικό θα διαρρεύσει λόγω του «φαινομένου σήραγγας», σπαταλώντας ενέργεια σαν μια «μπαταρία που διαρρέει». Η προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών έχει επιτρέψει στους ημιαγωγούς να ξεπεράσουν αυτό το φυσικό όριο.

Η διαδικασία high-k διηλεκτρικού είναι ο πυρήνας της λύσης. Επί του παρόντος, το κύριο υλικό high-k είναι το οξείδιο του hafnium (HfO₂), αλλά η διηλεκτρική σταθερά (τιμή k) του καθαρού HfO₂ είναι περίπου 25, η οποία είναι ακόμη ανεπαρκής για την υποστήριξη της διαδικασίας των 3 νανομέτρων. Επομένως, δύο στοιχεία σπάνιων γαιών, το λανθάνιο (La) και το ύττριο (Y), έχουν «προσκληθεί» στο διηλεκτρικό στρώμα: ένα στρώμα οξειδίου του λανθανίου (La₂O₃) πάχους λίγων angstroms εναποτίθεται στην επιφάνεια του HfO₂. Μετά από ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία, τα ιόντα λανθανίου θα διαχυθούν στη διεπαφή μεταξύ του διηλεκτρικού και του πυριτίου, σχηματίζοντας «διπολικά διεπαφής», που είναι σαν να εγκαθιστάτε έναν «ρυθμιστή τάσης» για το τρανζίστορ, μειώνοντας την τάση κατωφλίου κατά περισσότερο από 0,2V. Αυτό σημαίνει ότι με την ίδια απόδοση, η κατανάλωση ενέργειας του τσιπ μπορεί να μειωθεί κατά 30%. με την ίδια κατανάλωση ενέργειας, η ταχύτητα μεταγωγής μπορεί να αυξηθεί κατά 20%.

Αυτή η «ενδυνάμωση σπάνιων γαιών» επεκτείνεται επίσης σε πιο προηγμένους τομείς. Το λέιζερ θουλίου (Tm) που αναπτύχθηκε από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιεί ιόντα θουλίου για την παραγωγή λέιζερ 2μm, το οποίο αναμένεται να αυξήσει την απόδοση των πηγών φωτός EUV από το τρέχον 0,02% σε 0,2% - αυτό σημαίνει ότι η κατανάλωση ενέργειας των μηχανών λιθογραφίας μπορεί να μειωθεί κατά 90% και το κόστος μπορεί να μειωθεί στο μισό. Στον τομέα 5G RF, τα φιλμ νιτριδίου αλουμινίου-σκανδίου (AlScN), λόγω της προσθήκης σκανδίου (Sc), έχουν πιεζοηλεκτρική απόδοση τρεις φορές μεγαλύτερη από αυτή του καθαρού νιτριδίου αλουμινίου (AlN), καθιστώντας τα τον «βασιλιά απόδοσης» των φίλτρων BAW και καθορίζοντας άμεσα εάν τα κινητά τηλέφωνα μπορούν να επιτύχουν επικοινωνία υψηλής ταχύτητας στη ζώνη υψηλής συχνότητας 5G.