Tháp rơi tự do
Intern Writer
Nguyên tố đất hiếm bao gồm 17 nguyên tố: lanthanum, xeri, praseodymium, neodymium, promethium, samari, europium, gadolinium, terbi, dysprosi, holmium, erbi, thuli, ytterbi, luteti, scandi và yttri. Các nguyên tố này cùng đại diện cho nhóm lanthanide (La-Lu) của bảng tuần hoàn, cùng với yttri (Y) và scandi (Sc). Với đặc tính cốt lõi là cải thiện đáng kể các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu chỉ với lượng bổ sung tối thiểu, các nguyên tố này đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp, mang lại cho chúng những biệt danh như "vitamin công nghiệp", "bột ngọt công nghiệp" và "chất bôi trơn công nghiệp". Trong ngành công nghiệp bán dẫn đòi hỏi công nghệ cao, các nguyên tố đất hiếm là vật liệu nền tảng thiết yếu hỗ trợ sự phát triển của thiết bị chính xác, vật liệu hiệu suất cao và các quy trình tiên tiến, với các ứng dụng trải dài trên toàn bộ chuỗi sản xuất chất bán dẫn.
Ngoài đế wafer, hệ thống căn chỉnh, cơ cấu điều chỉnh thấu kính, robot nạp và tháo dỡ, cùng các thành phần khác của máy in thạch bản, cũng như động cơ DC không chổi than hoặc động cơ cuộn dây âm thanh, cũng là những thành phần cốt lõi của nam châm đất hiếm. Điều quan trọng cần lưu ý là đất hiếm đóng vai trò trung tâm trong việc hỗ trợ thiết bị và không trực tiếp tham gia vào quá trình sản xuất wafer. Tuy nhiên, việc thiếu nam châm đất hiếm sẽ vô hiệu hóa hoàn toàn chức năng chuyển động chính xác của thiết bị in thạch bản hiện đại.
Ngoài ra, máy cấy ion, v.v., nền tảng chuyển động, động cơ bơm phân tử tua bin, v.v., cũng thường sử dụng nam châm vĩnh cửu NdFeB để đạt được chuyển động wafer bay hơi từ tính và truyền động tốc độ cao, chứng minh thêm tính linh hoạt của đất hiếm trong điều khiển chuyển động của thiết bị.
Ngoài khả năng điều khiển chuyển động chính xác, nguồn sáng và các thành phần quang học còn dựa vào đất hiếm.
Nguồn sáng chính cho quang khắc EUV và quang khắc cực tím sâu không dựa vào môi trường đất hiếm rắn, nhưng laser phụ trợ dùng để định vị, căn chỉnh và phát hiện wafer thường sử dụng tinh thể garnet nhôm yttri pha tạp neodymium (Nd:YAG) . Các ion Nd³⁺ chứa trong chúng là môi trường khuếch đại laser công suất cao, có thể phát ra laser 1.064μm, tạo ra ánh sáng khả kiến 532nm sau khi tăng gấp đôi tần số, hoặc chuyển đổi chúng thành ánh sáng cực tím 355nm để đáp ứng nhu cầu phát hiện có độ chính xác cao.
Trong nghiên cứu tiên tiến, đất hiếm cũng mang lại tiềm năng cho thế hệ nguồn sáng EUV tiếp theo: "tia laser thulium (Tm) khẩu độ lớn " do Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) tại Hoa Kỳ phát triển sử dụng các ion Tm³⁺ để tạo ra tia laser ~2μm, có thể tăng hiệu suất của nguồn sáng EUV lên khoảng 10 lần so với tia laser carbon dioxide (CO2) tiêu chuẩn công nghiệp hiện tại, mang lại khả năng giảm chi phí quang khắc EUV.
Hệ thống laser của máy in thạch bản EUV/DUV phải được bảo vệ khỏi hư hại do ánh sáng phản xạ. Một giải pháp then chốt là bộ cách ly quang học, với vật liệu lõi là tinh thể terbi gali garnet (TGG). Nguyên tố terbi (Tb) trong TGG thể hiện hiệu ứng từ quang Faraday mạnh, làm xoay phân cực ánh sáng trong một từ trường mạnh, chỉ cho phép một hướng ánh sáng laser đi qua. Điều này khiến nó trở thành một thành phần không thể thiếu để đảm bảo độ ổn định của laser cực tím sâu.
Mặc dù các loại chất cản quang chính thống hiện nay không trực tiếp kết hợp các nguyên tố đất hiếm, nhưng các nghiên cứu tiên tiến về chất cản quang EUV (cực tím) đã khám phá việc sử dụng các hệ thống chất cản quang chứa các cụm kim loại (chẳng hạn như các hệ thống chứa các nguyên tố có số nguyên tử cao như hafni và zirconi) để cải thiện hiệu suất hấp thụ ở bước sóng 13,5 nm. Trong lĩnh vực này, một số học giả đã đề xuất kết hợp các hợp chất chứa các nguyên tố đất hiếm vào thiết kế thành phần chất cản quang, tận dụng cấu hình electron f của đất hiếm để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và khuếch đại hóa học. Tuy nhiên, những nghiên cứu này hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm, và chưa có chất cản quang nào chứa các nguyên tố đất hiếm đạt được sản xuất hàng loạt trên quy mô lớn.
Hơn nữa, đánh bóng cơ học hóa học (CMP) là một quy trình cốt lõi trong quá trình san phẳng wafer, và hiệu suất của vật liệu mài mòn quyết định trực tiếp đến hiệu quả và độ chọn lọc của quá trình đánh bóng. Các hạt xeri dioxit (CeO₂, thường được gọi là "xeri oxit") là lựa chọn chủ đạo để đánh bóng oxit silic (SiO₂) và các lớp cách ly rãnh nông (STI). Trong môi trường kiềm, các trạng thái hóa trị biến thiên của Ce³⁺/Ce⁴⁺ trên bề mặt CeO₂ phản ứng hóa học với bề mặt SiO₂ để tạo thành silicat xeri dễ dàng loại bỏ, làm tăng đáng kể tốc độ loại bỏ vật liệu. So với các vật liệu mài mòn silica và oxit nhôm truyền thống, vốn chỉ dựa vào quá trình mài cơ học, CeO₂ mang lại độ chọn lọc cao hơn để đánh bóng SiO₂, loại bỏ hiệu quả các lớp oxit đồng thời hầu như loại bỏ các vật liệu xung quanh như silicon nitride. Điều này khiến nó trở thành "vật liệu mài mòn tiêu chuẩn" cho các quy trình STI CMP. Bùn CeO₂ biến tính cũng được sử dụng trong quá trình đánh bóng lớp chắn của các lớp kim loại đồng/vonfram.
Máy khắc plasma mật độ cao sử dụng plasma có tính ăn mòn cao chứa flo và clo khi khắc các vật liệu như SiO₂. Tiếp xúc trực tiếp với các thành phần buồng có thể dẫn đến ăn mòn và rút ngắn tuổi thọ. Giải pháp là phủ một lớp gốm yttri oxit (Y₂O₃) hoặc yttri florua (YF₃) lên các thành phần chính của máy khắc (như lớp lót buồng, nắp ăng-ten RF và vòng chùm tia) . Yttri oxit (Y) cực kỳ ổn định về mặt hóa học, tạo thành lớp bảo vệ YF₃ dày đặc trong môi trường plasma flo, ngăn ngừa sự ăn mòn thêm. So với lớp phủ gốm thạch anh và alumina thông thường, lớp phủ Y₂O₃ có thể kéo dài tuổi thọ của linh kiện lên nhiều lần, dẫn đến việc các nhà sản xuất thiết bị khắc chính thống áp dụng rộng rãi các linh kiện được phủ Y₂O₃. Trong khi lượng Y₂O₃ được sử dụng trong một thiết bị được đo bằng kilôgam, thì lượng thiết bị khắc trên toàn cầu lại rất lớn, tạo ra nhu cầu liên tục về vật liệu Y₂O₃ có độ tinh khiết cao.
Trong các lĩnh vực chuyên biệt như tần số vô tuyến 5G và lưu trữ từ tính, các mục tiêu phún xạ pha tạp đất hiếm đóng vai trò then chốt trong việc chế tạo màng mỏng hiệu suất cao. Ví dụ, các mục tiêu hợp kim nhôm-scandi có thể được sử dụng để lắng đọng màng mỏng nhôm-scandi-nitride (AlScN). Phức tạp scandi (Sc) làm tăng đáng kể tính chất áp điện của nhôm nitride (AlN), một vật liệu lõi cho các linh kiện MEMS tần số vô tuyến 5G (chẳng hạn như bộ lọc BAW). Các mục tiêu như neodymium (Nd) và praseodymium (Pr) có thể được sử dụng để phún xạ màng mỏng lưu trữ từ tính (chẳng hạn như lớp quang từ TbCoFe và các mối nối đường hầm dựa trên SmCo trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ trở (MRAM)). Hơn nữa, các mục tiêu silicide erbi (ErSi₂) cũng có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử hồng ngoại.
Trong quá trình chế tạo thiết bị dựa trên gali nitride (GaN) và kẽm oxit (ZnO) truyền thống, việc sử dụng các chất nền không đồng nhất như silicon và sapphire dễ gặp phải nhiều khuyết tật do sự khác biệt về hằng số mạng và hành vi nhiệt động không nhất quán, dẫn đến các vấn đề về độ tin cậy như trôi điện áp ngưỡng thiết bị và sụt dòng điện. Chất nền lục giác scandium magnesium aluminate (ScAlMgO₄, viết tắt là SCAM hoặc SAM) có thể giải quyết vấn đề này. Hằng số mạng và hệ số giãn nở nhiệt của chúng rất phù hợp với GaN và ZnO, giúp giảm đáng kể sự hình thành khuyết tật trong quá trình phát triển epitaxial và mở ra một hướng đi mới cho việc chế tạo màng epitaxial GaN chất lượng cao.
Các electron 4f của các ion đất hiếm (như Eu³⁺) thể hiện một mẫu chuyển mức năng lượng phong phú, tạo ra sự phát quang đặc trưng với băng thông hẹp và độ tinh khiết màu cao. Do đó, chúng được sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu phát sáng bán dẫn. Lấy màng mỏng oxit europium (Eu₂O₃) làm ví dụ, Eu₂O₃ thể hiện tính chất phát quang và xúc tác vượt trội. Cấu trúc dải 4f của nó tương tự như cơ chế phát quang của các chất bán dẫn như ZnO và GaN, cho phép phát quang điện tử và hiệu suất phát quang của nó không bị giới hạn bởi quá trình dập tắt nồng độ ion đất hiếm. Sự phát triển epitaxial của màng mỏng Eu₂O₃ trên các tấm wafer silicon giải quyết các vấn đề không tương thích giữa các quy trình GaN và ZnO và chất nền silicon, cho phép tích hợp liền mạch các thiết bị phát quang điện tử Eu₂O₃ dựa trên silicon với các quy trình CMOS, cung cấp giải pháp cho thành phần nguồn sáng của tích hợp quang điện tử dựa trên silicon.
Các nguyên tố pha tạp chính bao gồm kim loại chuyển tiếp thuli (Tm) hoặc ion đất hiếm rheni (Re). Vật liệu pha tạp có thể đồng thời tận dụng tính chất điện tích và spin của electron, thể hiện các tính chất từ, quang từ và điện từ tuyệt vời. Những vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị spintronic như bộ nhớ mật độ cao, máy dò độ nhạy cao, cảm biến từ và bộ phát quang. Các công nghệ ban đầu để chế tạo chất bán dẫn từ loãng chủ yếu dựa vào epitaxy chùm phân tử và lắng đọng hơi hóa học kim loại-hữu cơ.
Với cấu hình electron 4f độc đáo, hoạt tính hóa học cao, cùng các đặc tính quang từ, nhiệt điện và các đặc tính khác tuyệt vời, các nguyên tố đất hiếm (RE) đã được tích hợp sâu rộng vào toàn bộ chuỗi cung ứng của ngành công nghiệp bán dẫn, từ sản xuất thiết bị (ví dụ: điều khiển chuyển động của máy quang khắc) đến chuẩn bị vật liệu (ví dụ: chất đánh bóng CMP và lớp phủ chống ăn mòn) đến các quy trình tiên tiến (ví dụ: tối ưu hóa điện môi k cao). Cho dù hỗ trợ độ chính xác ở cấp độ nanomet của quang khắc EUV hay thúc đẩy đột phá hiệu suất trong các thiết bị RF 5G và spintronic, RE đóng vai trò không thể thay thế như một vật liệu chiến lược.
Với sự lặp lại của công nghệ bán dẫn, tiềm năng ứng dụng của đất hiếm trong các lĩnh vực tiên tiến (như chất bán dẫn từ tính đất hiếm và tích hợp quang điện tử dựa trên silicon) sẽ được giải phóng hơn nữa và việc nghiên cứu, phát triển và đảm bảo cung ứng chúng có ý nghĩa chiến lược to lớn đối với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn.
Ứng dụng của các nguyên tố đất hiếm trong các thiết bị bán dẫn
Các giai đoạn wafer và mặt nạ của máy quang khắc phải đạt được chuyển động tốc độ cao với độ chính xác ở cấp độ nanomet. Điều này dựa vào động cơ tuyến tính không ma sát và hệ thống đệm từ. Lực truyền động và từ trường mạnh của các hệ thống này có nguồn gốc từ nam châm vĩnh cửu đất hiếm, chủ yếu là nam châm neodymium sắt boron (NdFeB).
Nam châm neodymium sắt boron (NdFeB)
Nam châm NdFeB chủ yếu được cấu tạo từ hợp kim của neodymium (Nd) , sắt và boron. Để cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao (và ngăn ngừa sự khử từ), chúng được pha tạp với dysprosi (Dy) và terbi (Tb) để điều chỉnh nhiệt độ Curie. Một máy quang khắc EUV duy nhất được cho là cần hàng chục kg nam châm NdFeB cho stato và rotor của động cơ. Neodymium là thành phần chính của các nam châm này, cung cấp sản phẩm năng lượng từ cực cao, trong khi dysprosi và terbi đóng vai trò là vật liệu phụ trợ để cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao. Việc sử dụng nam châm đất hiếm cho phép máy quang khắc đạt tốc độ quét vượt quá 100 tấm wafer mỗi giờ trong khi vẫn duy trì độ chính xác định vị dưới nanomet.Ngoài đế wafer, hệ thống căn chỉnh, cơ cấu điều chỉnh thấu kính, robot nạp và tháo dỡ, cùng các thành phần khác của máy in thạch bản, cũng như động cơ DC không chổi than hoặc động cơ cuộn dây âm thanh, cũng là những thành phần cốt lõi của nam châm đất hiếm. Điều quan trọng cần lưu ý là đất hiếm đóng vai trò trung tâm trong việc hỗ trợ thiết bị và không trực tiếp tham gia vào quá trình sản xuất wafer. Tuy nhiên, việc thiếu nam châm đất hiếm sẽ vô hiệu hóa hoàn toàn chức năng chuyển động chính xác của thiết bị in thạch bản hiện đại.
Ngoài ra, máy cấy ion, v.v., nền tảng chuyển động, động cơ bơm phân tử tua bin, v.v., cũng thường sử dụng nam châm vĩnh cửu NdFeB để đạt được chuyển động wafer bay hơi từ tính và truyền động tốc độ cao, chứng minh thêm tính linh hoạt của đất hiếm trong điều khiển chuyển động của thiết bị.
Ngoài khả năng điều khiển chuyển động chính xác, nguồn sáng và các thành phần quang học còn dựa vào đất hiếm.
Nguồn sáng chính cho quang khắc EUV và quang khắc cực tím sâu không dựa vào môi trường đất hiếm rắn, nhưng laser phụ trợ dùng để định vị, căn chỉnh và phát hiện wafer thường sử dụng tinh thể garnet nhôm yttri pha tạp neodymium (Nd:YAG) . Các ion Nd³⁺ chứa trong chúng là môi trường khuếch đại laser công suất cao, có thể phát ra laser 1.064μm, tạo ra ánh sáng khả kiến 532nm sau khi tăng gấp đôi tần số, hoặc chuyển đổi chúng thành ánh sáng cực tím 355nm để đáp ứng nhu cầu phát hiện có độ chính xác cao.
Trong nghiên cứu tiên tiến, đất hiếm cũng mang lại tiềm năng cho thế hệ nguồn sáng EUV tiếp theo: "tia laser thulium (Tm) khẩu độ lớn " do Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) tại Hoa Kỳ phát triển sử dụng các ion Tm³⁺ để tạo ra tia laser ~2μm, có thể tăng hiệu suất của nguồn sáng EUV lên khoảng 10 lần so với tia laser carbon dioxide (CO2) tiêu chuẩn công nghiệp hiện tại, mang lại khả năng giảm chi phí quang khắc EUV.
Hệ thống laser của máy in thạch bản EUV/DUV phải được bảo vệ khỏi hư hại do ánh sáng phản xạ. Một giải pháp then chốt là bộ cách ly quang học, với vật liệu lõi là tinh thể terbi gali garnet (TGG). Nguyên tố terbi (Tb) trong TGG thể hiện hiệu ứng từ quang Faraday mạnh, làm xoay phân cực ánh sáng trong một từ trường mạnh, chỉ cho phép một hướng ánh sáng laser đi qua. Điều này khiến nó trở thành một thành phần không thể thiếu để đảm bảo độ ổn định của laser cực tím sâu.
Ứng dụng của vật liệu đất hiếm trong vật liệu bán dẫn, vật tư tiêu hao và thuốc thử
Ứng dụng đất hiếm trong vật liệu bán dẫn, một số hướng đi tiên tiến vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nhưng đã chứng minh được giá trị then chốt.Mặc dù các loại chất cản quang chính thống hiện nay không trực tiếp kết hợp các nguyên tố đất hiếm, nhưng các nghiên cứu tiên tiến về chất cản quang EUV (cực tím) đã khám phá việc sử dụng các hệ thống chất cản quang chứa các cụm kim loại (chẳng hạn như các hệ thống chứa các nguyên tố có số nguyên tử cao như hafni và zirconi) để cải thiện hiệu suất hấp thụ ở bước sóng 13,5 nm. Trong lĩnh vực này, một số học giả đã đề xuất kết hợp các hợp chất chứa các nguyên tố đất hiếm vào thiết kế thành phần chất cản quang, tận dụng cấu hình electron f của đất hiếm để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và khuếch đại hóa học. Tuy nhiên, những nghiên cứu này hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm, và chưa có chất cản quang nào chứa các nguyên tố đất hiếm đạt được sản xuất hàng loạt trên quy mô lớn.
Hơn nữa, đánh bóng cơ học hóa học (CMP) là một quy trình cốt lõi trong quá trình san phẳng wafer, và hiệu suất của vật liệu mài mòn quyết định trực tiếp đến hiệu quả và độ chọn lọc của quá trình đánh bóng. Các hạt xeri dioxit (CeO₂, thường được gọi là "xeri oxit") là lựa chọn chủ đạo để đánh bóng oxit silic (SiO₂) và các lớp cách ly rãnh nông (STI). Trong môi trường kiềm, các trạng thái hóa trị biến thiên của Ce³⁺/Ce⁴⁺ trên bề mặt CeO₂ phản ứng hóa học với bề mặt SiO₂ để tạo thành silicat xeri dễ dàng loại bỏ, làm tăng đáng kể tốc độ loại bỏ vật liệu. So với các vật liệu mài mòn silica và oxit nhôm truyền thống, vốn chỉ dựa vào quá trình mài cơ học, CeO₂ mang lại độ chọn lọc cao hơn để đánh bóng SiO₂, loại bỏ hiệu quả các lớp oxit đồng thời hầu như loại bỏ các vật liệu xung quanh như silicon nitride. Điều này khiến nó trở thành "vật liệu mài mòn tiêu chuẩn" cho các quy trình STI CMP. Bùn CeO₂ biến tính cũng được sử dụng trong quá trình đánh bóng lớp chắn của các lớp kim loại đồng/vonfram.
Máy khắc plasma mật độ cao sử dụng plasma có tính ăn mòn cao chứa flo và clo khi khắc các vật liệu như SiO₂. Tiếp xúc trực tiếp với các thành phần buồng có thể dẫn đến ăn mòn và rút ngắn tuổi thọ. Giải pháp là phủ một lớp gốm yttri oxit (Y₂O₃) hoặc yttri florua (YF₃) lên các thành phần chính của máy khắc (như lớp lót buồng, nắp ăng-ten RF và vòng chùm tia) . Yttri oxit (Y) cực kỳ ổn định về mặt hóa học, tạo thành lớp bảo vệ YF₃ dày đặc trong môi trường plasma flo, ngăn ngừa sự ăn mòn thêm. So với lớp phủ gốm thạch anh và alumina thông thường, lớp phủ Y₂O₃ có thể kéo dài tuổi thọ của linh kiện lên nhiều lần, dẫn đến việc các nhà sản xuất thiết bị khắc chính thống áp dụng rộng rãi các linh kiện được phủ Y₂O₃. Trong khi lượng Y₂O₃ được sử dụng trong một thiết bị được đo bằng kilôgam, thì lượng thiết bị khắc trên toàn cầu lại rất lớn, tạo ra nhu cầu liên tục về vật liệu Y₂O₃ có độ tinh khiết cao.
Trong các lĩnh vực chuyên biệt như tần số vô tuyến 5G và lưu trữ từ tính, các mục tiêu phún xạ pha tạp đất hiếm đóng vai trò then chốt trong việc chế tạo màng mỏng hiệu suất cao. Ví dụ, các mục tiêu hợp kim nhôm-scandi có thể được sử dụng để lắng đọng màng mỏng nhôm-scandi-nitride (AlScN). Phức tạp scandi (Sc) làm tăng đáng kể tính chất áp điện của nhôm nitride (AlN), một vật liệu lõi cho các linh kiện MEMS tần số vô tuyến 5G (chẳng hạn như bộ lọc BAW). Các mục tiêu như neodymium (Nd) và praseodymium (Pr) có thể được sử dụng để phún xạ màng mỏng lưu trữ từ tính (chẳng hạn như lớp quang từ TbCoFe và các mối nối đường hầm dựa trên SmCo trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ trở (MRAM)). Hơn nữa, các mục tiêu silicide erbi (ErSi₂) cũng có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử hồng ngoại.
Trong quá trình chế tạo thiết bị dựa trên gali nitride (GaN) và kẽm oxit (ZnO) truyền thống, việc sử dụng các chất nền không đồng nhất như silicon và sapphire dễ gặp phải nhiều khuyết tật do sự khác biệt về hằng số mạng và hành vi nhiệt động không nhất quán, dẫn đến các vấn đề về độ tin cậy như trôi điện áp ngưỡng thiết bị và sụt dòng điện. Chất nền lục giác scandium magnesium aluminate (ScAlMgO₄, viết tắt là SCAM hoặc SAM) có thể giải quyết vấn đề này. Hằng số mạng và hệ số giãn nở nhiệt của chúng rất phù hợp với GaN và ZnO, giúp giảm đáng kể sự hình thành khuyết tật trong quá trình phát triển epitaxial và mở ra một hướng đi mới cho việc chế tạo màng epitaxial GaN chất lượng cao.
Vật liệu bán dẫn pha tạp đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm được pha tạp vào vật liệu bán dẫn, và đặc tính của electron 4f của ion đất hiếm có thể được sử dụng để chế tạo vật liệu phát sáng bán dẫn. Đồng thời, hoạt tính hóa học của ion đất hiếm có thể được sử dụng để cải thiện độ tinh khiết và tính toàn vẹn của vật liệu bán dẫn. Quy trình chế tạo của nó tương thích với quy trình CMOS mạch tích hợp, mang lại khả năng tích hợp quang điện tử dựa trên silicon.Các electron 4f của các ion đất hiếm (như Eu³⁺) thể hiện một mẫu chuyển mức năng lượng phong phú, tạo ra sự phát quang đặc trưng với băng thông hẹp và độ tinh khiết màu cao. Do đó, chúng được sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu phát sáng bán dẫn. Lấy màng mỏng oxit europium (Eu₂O₃) làm ví dụ, Eu₂O₃ thể hiện tính chất phát quang và xúc tác vượt trội. Cấu trúc dải 4f của nó tương tự như cơ chế phát quang của các chất bán dẫn như ZnO và GaN, cho phép phát quang điện tử và hiệu suất phát quang của nó không bị giới hạn bởi quá trình dập tắt nồng độ ion đất hiếm. Sự phát triển epitaxial của màng mỏng Eu₂O₃ trên các tấm wafer silicon giải quyết các vấn đề không tương thích giữa các quy trình GaN và ZnO và chất nền silicon, cho phép tích hợp liền mạch các thiết bị phát quang điện tử Eu₂O₃ dựa trên silicon với các quy trình CMOS, cung cấp giải pháp cho thành phần nguồn sáng của tích hợp quang điện tử dựa trên silicon.
Chất bán dẫn từ pha loãng
Chất bán dẫn từ pha loãng (DMS) là một loại vật liệu mới được hình thành bằng cách pha tạp các chất bán dẫn phi từ tính với kim loại chuyển tiếp hoặc các nguyên tố đất hiếm. Do nồng độ pha tạp thấp, từ tính của chúng tương đối yếu. Chúng sở hữu cả đặc tính điều chỉnh điện tích và thao tác spin. Công thức phân tử của chúng thường được biểu thị là A₁₋ₓMₓB và có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực điện tử spin.Các nguyên tố pha tạp chính bao gồm kim loại chuyển tiếp thuli (Tm) hoặc ion đất hiếm rheni (Re). Vật liệu pha tạp có thể đồng thời tận dụng tính chất điện tích và spin của electron, thể hiện các tính chất từ, quang từ và điện từ tuyệt vời. Những vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị spintronic như bộ nhớ mật độ cao, máy dò độ nhạy cao, cảm biến từ và bộ phát quang. Các công nghệ ban đầu để chế tạo chất bán dẫn từ loãng chủ yếu dựa vào epitaxy chùm phân tử và lắng đọng hơi hóa học kim loại-hữu cơ.
Với cấu hình electron 4f độc đáo, hoạt tính hóa học cao, cùng các đặc tính quang từ, nhiệt điện và các đặc tính khác tuyệt vời, các nguyên tố đất hiếm (RE) đã được tích hợp sâu rộng vào toàn bộ chuỗi cung ứng của ngành công nghiệp bán dẫn, từ sản xuất thiết bị (ví dụ: điều khiển chuyển động của máy quang khắc) đến chuẩn bị vật liệu (ví dụ: chất đánh bóng CMP và lớp phủ chống ăn mòn) đến các quy trình tiên tiến (ví dụ: tối ưu hóa điện môi k cao). Cho dù hỗ trợ độ chính xác ở cấp độ nanomet của quang khắc EUV hay thúc đẩy đột phá hiệu suất trong các thiết bị RF 5G và spintronic, RE đóng vai trò không thể thay thế như một vật liệu chiến lược.
Với sự lặp lại của công nghệ bán dẫn, tiềm năng ứng dụng của đất hiếm trong các lĩnh vực tiên tiến (như chất bán dẫn từ tính đất hiếm và tích hợp quang điện tử dựa trên silicon) sẽ được giải phóng hơn nữa và việc nghiên cứu, phát triển và đảm bảo cung ứng chúng có ý nghĩa chiến lược to lớn đối với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn.
