芯片变小为何变慢？中科院发现60年谜底

哈喽，大家好，今天小墨这篇评论，主要来分析中国科学家如何从原子层面破解芯片性能提升的关键难题。

芯片这东西，说白了就是越小越好。晶体管做得越小，同样大小的芯片上能塞进去的晶体管就越多，性能自然也就越强。

但现在有个问题，晶体管已经小到快碰到物理极限了，再往下做，有个东西开始拖后腿，那就是金属和半导体之间的接触电阻。

这个接触电阻就像是高速公路上突然出现的收费站，本来电子在半导体里跑得好好的，一到金属和半导体交界的地方就得减速排队。

中国科学院半导体研究所骆军委团队最近的一项研究，从原子这个最小的尺度，把这个问题的来龙去脉给搞清楚了。

先说说这个接触电阻到底是怎么回事。你可以把晶体管想象成一个水龙头，金属电极就是水管，半导体就是龙头本身。理想状态下，水（电子）应该顺畅地从水管流进龙头里。但实际情况是，在水管和龙头连接的地方，总有一道看不见的坎。

这道坎在学术上叫费米能级钉扎，听起来挺玄乎，其实就是说电子要翻过一个能量台阶才能从金属进入半导体。更麻烦的是，这个台阶的高度基本上是固定的，你换什么金属都差不多。

这就导致一个问题。锗这种材料，电子在里面跑得比硅快多了，按理说应该比硅更适合做高性能芯片。但因为费米能级钉扎的存在，锗的这个优势发挥不出来，电子一到金属和锗的交界处就被卡住了。

以前大家都觉得，费米能级钉扎这事主要是半导体材料本身的特性决定的，比如材料的带隙有多宽，介电常数是多少。骆军委团队不信这个邪，他们用第一性原理计算，从头开始推导，重新看了一遍界面上原子的排列方式。

结果发现，半导体表面的悬挂键才是导致费米能级钉扎的关键。什么是悬挂键？你可以理解为半导体晶格被切开后，表面那些原子手里还拿着没配对的电子，就像伸出一只手却没人握手一样。这些悬挂键会在半导体的能带里制造出一堆额外的电子状态，在界面上堆积电荷，形成一个电场，把费米能级给钉死了。

有意思的地方来了。硅和锗的晶体结构差不多，但它们表面的原子排列方式不一样。硅的表面原子喜欢两两配对，形成"二聚体重构"结构，就像两个人互相握手，把悬挂键给消化掉了。锗就不一样了，它倾向于保持原始状态，表面的悬挂键都是自由的，所以费米能级钉扎特别严重。

团队进一步研究发现，半导体材料能不能通过重构来减少悬挂键，跟材料的键长有关。锗的键长比硅大4.3%，别小看这点差距，它导致锗通过重构能释放的能量非常小。更要命的是，当金属薄膜沉积上去以后，锗好不容易形成的重构结构很容易被破坏，又回到悬挂键满天飞的状态。

既然知道了悬挂键是罪魁祸首，那解决办法就有了。团队发现，费米能级钉扎的强弱不只是材料本身的事，还跟界面的原子结构密切相关。也就是说，通过调整界面结构，有可能把费米能级给"解放"出来。

为了验证这个想法，团队做了个模拟实验。他们用氢原子把表面所有悬挂键的位置都占上，相当于给每只伸出来的手都找了个握手对象。结果显示，钉扎因子从接近0提升到了大约0.5的弱钉扎水平。

这个变化意味着什么？费米能级重新有了活动空间。这时候如果选对金属，就有可能实现接近零势垒的理想接触，接触电阻就能降到很低。就像把收费站拆了，车辆可以畅通无阻地通过。

这项研究不光解释了为什么硅和锗在跟金属接触时表现不一样，更重要的是提出了一条清晰的界面工程设计路线。通过调控界面原子的成键方式，减少悬挂键带来的能隙态，就能缓解费米能级钉扎。

说到这里，可能有人会问，这个研究离实际应用还有多远？其实从学术发现到工业应用，中间确实还有不少路要走。但这个研究至少把方向指明了，后面的工作就是怎么在实际生产中控制界面的原子结构。

半导体行业这些年一直在跟物理极限较劲。晶体管从微米做到纳米，现在已经是几个纳米的尺度了。每往前走一步都特别难，需要在材料、工艺、设备各个环节都有突破。骆军委团队的这个研究，就是在材料这个环节上找到了一个新的突破口。

这项研究为发展高性能、低功耗的芯片提供了重要的理论基础。未来如果能在原子尺度上实现对界面结构的精确调控，芯片性能还能继续提升。中国科学家在半导体基础研究领域的这次突破，为摩尔定律的延续提供了新的可能性。