"Код производительности" передовых производственных процессов: редкоземельные элементы делают транзисторы "более энергоэффективными и быстрыми"

Когда производственный процесс переходит в диапазон менее 7 нанометров, толщина диэлектрического слоя затвора транзисторов составляет менее 5 нанометров - что эквивалентно 30 атомам, выстроенным бок о бок. В этот момент традиционный диэлектрик из диоксида кремния (SiO₂) будет протекать из-за «туннельного эффекта», тратя энергию, как «дырявая батарея». Добавление редкоземельных элементов позволило полупроводникам преодолеть этот физический предел.

Процесс использования диэлектриков с высоким k является основой решения. В настоящее время основным материалом с высоким k является оксид гафния (HfO₂), но диэлектрическая проницаемость (значение k) чистого HfO₂ составляет около 25, чего все еще недостаточно для поддержки 3-нанометрового процесса. Поэтому два редкоземельных элемента, лантан (La) и иттрий (Y), были «приглашены» в диэлектрический слой: несколько ангстрем толщиной слой оксида лантана (La₂O₃) наносится на поверхность HfO₂. После высокотемпературного отжига ионы лантана будут диффундировать к границе раздела между диэлектриком и кремнием, образуя «интерфейсные диполи», что похоже на установку «регулятора напряжения» для транзистора, снижая пороговое напряжение более чем на 0,2 В. Это означает, что при одинаковой производительности энергопотребление чипа может быть снижено на 30%; при одинаковом энергопотреблении скорость переключения может быть увеличена на 20%.

Это «расширение прав и возможностей редкоземельных элементов» также распространяется на более передовые области. Тулиевый (Tm) лазер, разработанный Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса в США, использует ионы тулия для генерации 2μm лазеров, что, как ожидается, увеличит эффективность источников EUV-излучения с текущих 0,02% до 0,2% - это означает, что энергопотребление литографических машин может быть снижено на 90%, а стоимость может быть уменьшена вдвое. В области 5G RF пленки из нитрида алюминия-скандия (AlScN) благодаря добавлению скандия (Sc) имеют пьезоэлектрические характеристики в три раза выше, чем у чистого нитрида алюминия (AlN), что делает их «королем производительности» BAW-фильтров и напрямую определяет, смогут ли мобильные телефоны достичь высокоскоростной связи в высокочастотном диапазоне 5G.