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随着计算机芯片变得越来越小、越来越复杂，芯片内传输电信号的超细金属线已成为薄弱环节。标准金属线越细，导电性就越差，最终限制了纳米级电子产品的尺寸、效率和性能。
在1 月 3 日发表于《科学》杂志的一篇论文中，斯坦福大学的研究人员表明，在厚度仅为几个原子的薄膜中，磷化铌的导电性比铜更好。此外，这些薄膜可以在足够低的温度下制造和沉积，以与现代计算机芯片制造兼容。他们的工作可能有助于使未来的电子产品更强大、更节能。
“我们正在突破铜等传统材料的根本瓶颈，” Asir Intisar Khan说道，他拥有斯坦福大学的博士学位，现在是客座博士后学者，也是这篇论文的第一作者。“我们的磷化铌导体表明，通过超细导线发送更快、更高效的信号是可能的。这可以提高未来芯片的能源效率，当使用许多芯片时，即使是很小的增益也会累积起来，例如在当今存储和处理信息的大型数据中心中。”
新型导体
磷化铌被研究人员称为拓扑半金属，这意味着整个材料都可以导电，但其外表面比中间部分导电性更强。随着磷化铌薄膜变薄，中间区域会收缩，但其表面保持不变，从而使表面对电流的流动贡献更大，并使整个材料成为更好的导体。另一方面，铜等传统金属一旦厚度小于约 50 纳米，导电性就会变差。
研究人员发现，即使在室温下操作，磷化铌在薄膜厚度低于 5 纳米时也能成为比铜更好的导体。在这种尺寸下，铜线很难跟上快速的电信号，并且会因热量而损失更多能量。
“真正高密度的电子设备需要非常薄的金属连接，如果这些金属导电性不好，它们就会损失大量的电力和能源，” 工程学院 Pease-Ye 教授、电气工程教授、论文资深作者Eric Pop说道。“更好的材料可以帮助我们在细电线上消耗更少的能量，而将更多的能量用于实际计算。”
许多研究人员一直在努力寻找纳米级电子产品的更好导体，但迄今为止，最佳候选材料都具有极其精确的晶体结构，需要在极高的温度下形成。Khan 及其同事制造的磷化铌薄膜是非晶体材料的第一个例子，它们随着厚度的增加而成为更好的导体。
“人们一直认为，如果我们想利用这些拓扑表面，我们需要非常难以沉积的优质单晶薄膜，”斯坦福大学博士生、论文合著者阿卡什·拉姆达斯 (Akash Ramdas) 表示。“现在我们有了另一类材料——这些拓扑半金属——它们可能成为一种降低电子产品能耗的方法。”
由于磷化铌薄膜不需要是单晶，因此可以在较低温度下制造。研究人员在 400 摄氏度的温度下沉积了这些薄膜，这一温度足够低，可以避免损坏或摧毁现有的硅计算机芯片。
“如果你必须制造完美的晶体线，这对纳米电子学来说是行不通的，” 人文与科学学院的 Stanley G. Wojcicki 教授、应用物理学教授兼论文合著者Yuri Suzuki表示。“但如果你可以将它们制成无定形或略微无序的，并且它们仍然具有你需要的特性，那么这将为潜在的实际应用打开大门。”
实现未来纳米电子技术
尽管磷化铌薄膜是一个有希望的开端，但 Pop 和他的同事并不指望它们会突然取代所有计算机芯片中的铜——在较厚的薄膜和电线中，铜仍然是更好的导体。但磷化铌可以用于最薄的连接，它为研究由其他拓扑半金属制成的导体铺平了道路。研究人员已经在研究类似的材料，看看它们能否提高磷化铌的性能。
“为了让这类材料在未来的电子产品中得到应用，我们需要它们成为更好的导体，”斯坦福大学博士生、论文合著者吴向金说。“为此，我们正在探索替代拓扑半金属。”
Pop 和他的团队还在努力将磷化铌薄膜制成细线，以进行进一步测试。他们想确定这种材料在实际应用中的可靠性和有效性。
“我们把一些非常酷的物理学移植到了应用电子领域，”波普说。“这种非晶态材料的突破可以帮助解决当前和未来电子产品的功率和能源挑战。”
来源：半导体行业观察、斯坦福
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