哈嘍，大家好，今天小墨這篇評論，主要來分析中國科學(xué)家如何從原子層面破解芯片性能提升的關(guān)鍵難題。

芯片這東西，說白了就是越小越好。晶體管做得越小，同樣大小的芯片上能塞進(jìn)去的晶體管就越多，性能自然也就越強(qiáng)。

但現(xiàn)在有個(gè)問題，晶體管已經(jīng)小到快碰到物理極限了，再往下做，有個(gè)東西開始拖后腿，那就是金屬和半導(dǎo)體之間的接觸電阻。

這個(gè)接觸電阻就像是高速公路上突然出現(xiàn)的收費(fèi)站，本來電子在半導(dǎo)體里跑得好好的，一到金屬和半導(dǎo)體交界的地方就得減速排隊(duì)。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所駱軍委團(tuán)隊(duì)最近的一項(xiàng)研究，從原子這個(gè)最小的尺度，把這個(gè)問題的來龍去脈給搞清楚了。

先說說這個(gè)接觸電阻到底是怎么回事。你可以把晶體管想象成一個(gè)水龍頭，金屬電極就是水管，半導(dǎo)體就是龍頭本身。理想狀態(tài)下，水（電子）應(yīng)該順暢地從水管流進(jìn)龍頭里。但實(shí)際情況是，在水管和龍頭連接的地方，總有一道看不見的坎。

這道坎在學(xué)術(shù)上叫費(fèi)米能級釘扎，聽起來挺玄乎，其實(shí)就是說電子要翻過一個(gè)能量臺階才能從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體。更麻煩的是，這個(gè)臺階的高度基本上是固定的，你換什么金屬都差不多。

這就導(dǎo)致一個(gè)問題。鍺這種材料，電子在里面跑得比硅快多了，按理說應(yīng)該比硅更適合做高性能芯片。但因?yàn)橘M(fèi)米能級釘扎的存在，鍺的這個(gè)優(yōu)勢發(fā)揮不出來，電子一到金屬和鍺的交界處就被卡住了。

以前大家都覺得，費(fèi)米能級釘扎這事主要是半導(dǎo)體材料本身的特性決定的，比如材料的帶隙有多寬，介電常數(shù)是多少。駱軍委團(tuán)隊(duì)不信這個(gè)邪，他們用第一性原理計(jì)算，從頭開始推導(dǎo)，重新看了一遍界面上原子的排列方式。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體表面的懸掛鍵才是導(dǎo)致費(fèi)米能級釘扎的關(guān)鍵。什么是懸掛鍵？你可以理解為半導(dǎo)體晶格被切開后，表面那些原子手里還拿著沒配對的電子，就像伸出一只手卻沒人握手一樣。這些懸掛鍵會在半導(dǎo)體的能帶里制造出一堆額外的電子狀態(tài)，在界面上堆積電荷，形成一個(gè)電場，把費(fèi)米能級給釘死了。

有意思的地方來了。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)差不多，但它們表面的原子排列方式不一樣。硅的表面原子喜歡兩兩配對，形成"二聚體重構(gòu)"結(jié)構(gòu)，就像兩個(gè)人互相握手，把懸掛鍵給消化掉了。鍺就不一樣了，它傾向于保持原始狀態(tài)，表面的懸掛鍵都是自由的，所以費(fèi)米能級釘扎特別嚴(yán)重。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體材料能不能通過重構(gòu)來減少懸掛鍵，跟材料的鍵長有關(guān)。鍺的鍵長比硅大4.3%，別小看這點(diǎn)差距，它導(dǎo)致鍺通過重構(gòu)能釋放的能量非常小。更要命的是，當(dāng)金屬薄膜沉積上去以后，鍺好不容易形成的重構(gòu)結(jié)構(gòu)很容易被破壞，又回到懸掛鍵滿天飛的狀態(tài)。

既然知道了懸掛鍵是罪魁禍?zhǔn)祝墙鉀Q辦法就有了。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，費(fèi)米能級釘扎的強(qiáng)弱不只是材料本身的事，還跟界面的原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。也就是說，通過調(diào)整界面結(jié)構(gòu)，有可能把費(fèi)米能級給"解放"出來。

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，團(tuán)隊(duì)做了個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)。他們用氫原子把表面所有懸掛鍵的位置都占上，相當(dāng)于給每只伸出來的手都找了個(gè)握手對象。結(jié)果顯示，釘扎因子從接近0提升到了大約0.5的弱釘扎水平。

這個(gè)變化意味著什么？費(fèi)米能級重新有了活動空間。這時(shí)候如果選對金屬，就有可能實(shí)現(xiàn)接近零勢壘的理想接觸，接觸電阻就能降到很低。就像把收費(fèi)站拆了，車輛可以暢通無阻地通過。

這項(xiàng)研究不光解釋了為什么硅和鍺在跟金屬接觸時(shí)表現(xiàn)不一樣，更重要的是提出了一條清晰的界面工程設(shè)計(jì)路線。通過調(diào)控界面原子的成鍵方式，減少懸掛鍵帶來的能隙態(tài)，就能緩解費(fèi)米能級釘扎。

說到這里，可能有人會問，這個(gè)研究離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？其實(shí)從學(xué)術(shù)發(fā)現(xiàn)到工業(yè)應(yīng)用，中間確實(shí)還有不少路要走。但這個(gè)研究至少把方向指明了，后面的工作就是怎么在實(shí)際生產(chǎn)中控制界面的原子結(jié)構(gòu)。

半導(dǎo)體行業(yè)這些年一直在跟物理極限較勁。晶體管從微米做到納米，現(xiàn)在已經(jīng)是幾個(gè)納米的尺度了。每往前走一步都特別難，需要在材料、工藝、設(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)都有突破。駱軍委團(tuán)隊(duì)的這個(gè)研究，就是在材料這個(gè)環(huán)節(jié)上找到了一個(gè)新的突破口。

這項(xiàng)研究為發(fā)展高性能、低功耗的芯片提供了重要的理論基礎(chǔ)。未來如果能在原子尺度上實(shí)現(xiàn)對界面結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，芯片性能還能繼續(xù)提升。中國科學(xué)家在半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的這次突破，為摩爾定律的延續(xù)提供了新的可能性。