加拿大麥基爾大學(xué)(McGill University)的物理學(xué)家們證實(shí)，當(dāng)導(dǎo)線是由兩種不同類金屬組成時(shí)，電流有可能會(huì)大幅度降低。這意味著未來(lái)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)可能遇到技術(shù)障礙。

上述研究人員是與美國(guó)汽車大廠通用(GM)研發(fā)部門(mén)共同合作，發(fā)現(xiàn)出人意料的電流遽降現(xiàn)象，該現(xiàn)象揭示了在新興的奈米電子領(lǐng)域，材料的選擇與元件設(shè)計(jì)可能會(huì)成為一大挑戰(zhàn)。

隨著半導(dǎo)體元件尺寸不斷縮小，未來(lái)晶片的設(shè)計(jì)工程師需了解當(dāng)金屬導(dǎo)線直徑被局限到僅有數(shù)個(gè)原子寬時(shí)，電荷的行為模式是如何變化。麥基爾大學(xué)物理學(xué)教授Peter Grutter表示，當(dāng)晶片線路尺寸逐漸微縮至原子等級(jí)，電流阻抗將不再隨著元件的微縮以恒定速率增加；相反的，電阻會(huì)“到處亂跳”，展現(xiàn)量子力學(xué)的反直覺(jué)效應(yīng)(counterintuitive effect)。

“這個(gè)現(xiàn)象可以用橡膠水管來(lái)比喻，”Grutter表示：“如果你保持水壓恒定，當(dāng)縮小水管的直徑，出來(lái)的水量就會(huì)比較少；而如果將水管的尺寸縮小到麥稈大小，直徑僅2~3個(gè)原子寬，出水量將不再隨著水管橫切面尺寸成比例縮減，其量化(跳躍)方式會(huì)是變動(dòng)的。”

量子怪現(xiàn)象

Grutter與麥基爾大學(xué)同仁以及通用公司的研究人員將這種“量子怪現(xiàn)象(quantum weirdness)”寫(xiě)成論文，發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院公報(bào)(Proceedings of the National Academy of Sciences)。該團(tuán)隊(duì)研究了一種超小型的金與鎢(tungsten)合金觸點(diǎn)，這兩種金屬目前時(shí)常組合應(yīng)用于半導(dǎo)體元件中，做為連結(jié)裝置內(nèi)不同零組件的導(dǎo)線。

在Grutter的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，研究人員以先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)，以原子及精密度擷取鎢探針與金表面的影像，并以控制精度(precisely-controlled)方法將這兩種金屬結(jié)合；而他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這種合金觸點(diǎn)的電流比預(yù)期低很多。麥基爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與通用公司研發(fā)中心的科學(xué)家Yue Qi合作，完成了這種合金觸點(diǎn)的原子結(jié)構(gòu)機(jī)械模型，證實(shí)兩種金屬之間電子結(jié)構(gòu)的相異性會(huì)導(dǎo)致電流降低四倍，就算兩種材料達(dá)成完美介面(perfect interface)也是一樣。

此外研究人員也發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榻Y(jié)合兩種金屬材料而產(chǎn)生的晶體缺陷(crystal defect)──正常情況下完美排列的原子發(fā)生錯(cuò)位－－是造成電流下降現(xiàn)象的進(jìn)一步原因。

正在使用場(chǎng)離子顯微鏡(field ion microscope)的麥基爾大學(xué)學(xué)生Till Hagedorn

Grutter表示，它們的研究結(jié)果顯示，未來(lái)需要有更多相關(guān)研究來(lái)克服這樣的問(wèn)題，可能是透過(guò)材料的選擇或是其他的處理技術(shù)：“我們觀察到的電流下降幅度，比大多數(shù)專家所預(yù)期的高出十倍之多。要找到解決方案的第一步就是意識(shí)到此問(wèn)題，而我們是第一次證實(shí)此為奈米電子系統(tǒng)會(huì)遭遇的重要問(wèn)題。”

 (原文：Researchers spot materials challenges for future chips，by Dylan McGrath)