北京
來源：科技日報
芯片為什么會在長期使用中悄然“變慢”甚至失效？這一困擾微電子領域多年的問題，如今有了答案。據最新一期《物理評論B》報道，美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校材料系研究團隊揭示了一種關鍵量子機制，即高能電子如何在芯片內部打斷化學鍵，從而在長期運行中悄然損傷器件性能。這一發現不僅解釋了一些數十年來未解的實驗現象，也為設計更可靠的電子器件提供了新思路。
即便是最先進的芯片，也會隨著時間推移逐漸“老化”。其“元兇”之一，就是所謂的“熱載流子退化”。帶電的高能電子會在器件內部引發化學變化，慢慢侵蝕芯片性能，但這一過程的具體機制一直不清楚。
此次，研究團隊將目光投向晶體管中的硅與氧化層界面。在這里，制造過程中會引入氫原子，對斷裂的硅鍵進行“鈍化”，相當于給這些“缺口”打上補丁，避免其變成影響性能的電學缺陷。但在器件工作時，電子持續流動，會使氫原子脫離。一旦“補丁”脫落，斷裂的硅鍵重新暴露，器件性能也隨之下降。
長期以來，學界普遍認為，這種鍵斷裂是大量電子反復“撞擊”累積的結果。但團隊通過先進量子模擬發現，單個高能電子就足以觸發這一過程。他們識別出一個此前隱藏的電子態，當電子短暫“占據”這一態時，會削弱硅—氫鍵，并將氫原子從原位“推開”。更重要的是，研究發現氫原子的脫離遵循量子力學規律，而非經典力學。在傳統理解中，只要硅和氫之間距離超過閾值，就意味著鍵斷裂。但在量子世界里，氫更像一團彌散的“云”或“波包”，鍵是否斷裂取決于其擴散到一定范圍之外的概率。
團隊表示，這一量子框架為材料科學家提供了一種全新的“預測工具”，可以提前判斷在極端條件下哪些化學鍵更容易斷裂，有望指導人們設計出更穩定、壽命更長的電子材料與器件。
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