物理學家發現未來奈米晶片設計大障礙

一群來自加拿大麥基爾大學(McGill University)的物理學家們證實，當導線是由兩種不同的金屬組成時，電流有可能會大幅度降低；這意味著未來的半導體設計可能遇到障礙。

上述研究人員是與美國汽車大廠通用(GM)研發部門共同合作，發現讓人驚訝的電流遽降現象；顯示在新興的奈米電子領域，材料的選擇與元件設計可能會成為一大挑戰。隨著半導體元件尺寸持續微縮，未來晶片的設計工程師將需要了解，當金屬導線直徑被侷限到僅有數個原子寬時，電荷的行為模式是如何變化。

麥基爾大學物理學教授Peter Grutter表示，當晶片線路尺寸逐漸微縮至原子等級，電流阻抗將不再隨著元件的微縮以恆定速率增加；相反的，電阻會「到處亂跳」，展現量子力學的反直覺效應(counterintuitive effect)。

「這個現象可以用橡膠水管來比喻；」Grutter表示：「如果你讓水壓保持恆定，當你縮小水管的直徑，出來的水量就會比較少；而如果你將水管的尺寸縮小到麥稈大小，直徑僅2~3個原子寬，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)方式會是變動的。」

Grutter與麥基爾大學同仁以及GM的研究人員將這種「量子怪現象(quantum weirdness)」寫成論文，發表在美國國家科學院公報(Proceedings of the National Academy of Sciences)；該團隊研究了一種超小型的金與鎢(tungsten)合金觸點，這兩種金屬目前時常組合應用於半導體元件中，做為連結裝置內不同零組件的導線。

在Grutter的實驗室內，研究人員以先進的顯微鏡技術，以原子及精密度擷取鎢探針與金表面的影像，並以控制精度(precisely-controlled)方法將這兩種金屬結合；而他們發現，通過這種合金觸點的電流比預期低很多。

麥基爾大學研究團隊與來自GM研發中心的科學家Yue Qi合作，完成了這種合金觸點的原子結構機械模型，證實兩種金屬之間電子結構的相異性會導致電流降低四倍，就算兩種材料達成完美介面(perfect interface)也是一樣。

此外研究人員也發現，因為結合兩種金屬材料而產生的晶體缺陷(crystal defect)──正常情況下完美排列的原子發生錯位－－是造成電流下降現象的進一步原因。

「我們觀察到的電流下降幅度，比大多數專家所預期的高出十倍之多。」Grutter表示，它們的研究結果顯示，未來需要有更多相關研究來克服這樣的問題，可能是透過材料的選擇或是其他的處理技術：「要找到解決方案的第一步就是意識到這樣的問題，而我們是第一次證實這是奈米電子系統會遭遇的大問題。」


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