未来纳米芯片设计受到挑战

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一群来自加拿大麦基尔大学(mcgilluniversity)的物理学家们证实,当导线是由两种不同的金属组成时,电流有可能会大幅度降低;这意味着未来的半导体设计可能遇到障碍。

 

上述研究人员是与美国汽车大厂通用(gm)研发部门共同合作,发现让人惊讶的电流遽降现象;显示在新兴的纳米电子领域,材料的选择与元件设计可能会成为一大挑战。随着半导体元件尺寸持续微缩,未来芯片的设计工程师将需要了解,当金属导线直径被局限到仅有几个原子宽时,电荷的行为模式是如何变化。

 

麦基尔大学物理学教授petergrutter表示,当芯片线路尺寸逐渐微缩至原子等级,电流阻抗将不再随着元件的微缩以恒定速率增加;相反的,电阻会“到处乱跳”,展现量子力学的反直觉效应(counterintuitiveeffect)。

 

“这个现象可以用橡胶水管来比喻;”grutter表示:“如果你让水压保持恒定,当你缩小水管的直径,出来的水量就会比较少;而如果你将水管的尺寸缩小到麦秆大小,直径仅2~3个原子宽,出水量将不再随着水管横切面尺寸成比例缩减,其量化(跳跃)方式会是变动的。”

 

grutter与麦基尔大学同仁以及gm的研究人员将这种“量子怪现象(quantumweirdness)”写成论文,发表在美国国家科学院公报(proceedingsofthenationalacademyofsciences);该团队研究了一种超小型的金与钨(tungsten)合金触点,这两种金属目前时常组合应用于半导体元件中,做为连结装置内不同零组件的导线。

 

在grutter的实验室内,研究人员以先进的显微镜技术,以原子及精密度撷取钨探针与金表面的图像,并以控制精度(precisely-controlled)方法将这两种金属结合;而他们发现,通过这种合金触点的电流比预期低很多。

 

麦基尔大学研究团队与来自gm研发中心的科学家yueqi合作,完成了这种合金触点的原子结构机械模型,证实两种金属之间电子结构的相异性会导致电流降低四倍,就算两种材料达成完美介面(perfectinterface)也是一样。

 

此外研究人员也发现,因为结合两种金属材料而产生的晶体缺陷(crystaldefect)──正常情况下完美排列的原子发生错位--是造成电流下降现象的进一步原因。

 

“我们观察到的电流下降幅度,比大多数专家所预期的高出十倍之多。”grutter表示,它们的研究结果显示,未来需要有更多相关研究来克服这样的问题,可能是透过材料的选择或是其他的处理技术:“要找到解决方案的第一步就是意识到这样的问题,而我们是第一次证实这是纳米电子系统会遭遇的大问题。”

 

 

 

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