El "código de rendimiento" de los procesos de fabricación avanzada: Las tierras raras hacen que los transistores sean "más eficientes energéticamente y rápidos"

Cuando el proceso de fabricación entra en el rango de sub-7 nanómetros, el grosor de la capa dieléctrica de la puerta de los transistores es inferior a 5 nanómetros, equivalente a 30 átomos alineados uno al lado del otro. En este punto, el dieléctrico tradicional de dióxido de silicio (SiO₂) tendrá fugas debido al "efecto túnel", desperdiciando energía como una "batería con fugas". La adición de elementos de tierras raras ha permitido a los semiconductores romper este límite físico.

El proceso dieléctrico de alto k es el núcleo de la solución. Actualmente, el material de alto k principal es el óxido de hafnio (HfO₂), pero la constante dieléctrica (valor k) del HfO puro₂ es de aproximadamente 25, lo cual aún es insuficiente para soportar el proceso de 3 nanómetros. Por lo tanto, se han "invitado" dos elementos de tierras raras, lantano (La) e itrio (Y), a la capa dieléctrica: se deposita una capa de óxido de lantano (La₂O₃) de unos pocos angstroms de espesor en la superficie de HfO₂. Después del recocido a alta temperatura, los iones de lantano se difundirán a la interfaz entre el dieléctrico y el silicio, formando "dipolos de interfaz", lo que es como instalar un "regulador de voltaje" para el transistor, reduciendo el voltaje umbral en más de 0,2 V. Esto significa que, con el mismo rendimiento, el consumo de energía del chip se puede reducir en un 30%; con el mismo consumo de energía, la velocidad de conmutación se puede aumentar en un 20%.

Este "empoderamiento de tierras raras" también se está extendiendo a campos más vanguardistas. El láser de tulio (Tm) desarrollado por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los Estados Unidos utiliza iones de tulio para generar láseres de 2μm, lo que se espera que aumente la eficiencia de las fuentes de luz EUV del actual 0,02% al 0,2%, lo que significa que el consumo de energía de las máquinas de litografía se puede reducir en un 90% y el costo se puede reducir a la mitad. En el campo de RF 5G, las películas de nitruro de aluminio y escandio (AlScN), debido a la adición de escandio (Sc), tienen un rendimiento piezoeléctrico tres veces mayor que el del nitruro de aluminio puro (AlN), lo que las convierte en el "rey del rendimiento" de los filtros BAW y determina directamente si los teléfonos móviles pueden lograr una comunicación de alta velocidad en la banda de alta frecuencia 5G.