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具潜力的纳米金属导线材料:砷化铌

  • 林育中

到了深纳米的制程,元件的线幅、厚度不断微缩,金属行径产生了质的变化。Applied Materials, Inc.

这几年纳米材料的进展在半导体及相关领域迅速开展,速度令人眩目惊心。先是去年下半年发现拓朴绝缘体(topological insulator)锑化铋(BiSb)可以用来做为SOT MRAM的磁化翻中转制导线材料,数量级的大幅降低所需电流与功耗、提升写入速度。3月底才于《Nature Materials》[1]发表的砷化铌(NbAs)则对未来半导体深纳米金属联机提供了极有潜力的材料。

NbAs其实不是金属。严格来说,它是半金属(semimetal)。金属的导电带(conduction band)与共价带(valence band)重迭,电子得以自由流动;半金属的导电带与共价带只有一点接触,可用以导电的电子带较少,因此导电性一般不如金属。

到了深纳米的制程,元件的线幅、厚度不断微缩,金属行径产生了质的变化。由于厚度较薄,因表面散射的影响越来越大,电阻也跟著增加,这就成为深纳米元件能秏的重大考量。NbAs的电导(conductance)就成了最吸引人的性质。简单来说,NbAs在室温时电导是铜的3倍。

NbAs优异的电导性质怎么产生的?它是一种拓朴材料,叫怀尔半金属(Weyl semimetal)。它与拓朴绝缘体不同,拓朴绝缘体在块体内(bulk)是绝缘的,只有表面导电,讲术语就是自由电子只有表面态(surface state)。而这表面电流中电子的动量方向与自旋方向相互垂直,术语叫自旋动量锁定(spin-momentum locking),因而表面电流也携带有定向的自旋流(spin current),SOT MRAM就是利用这自旋流来翻转磁化层的磁矩方向,成就写入机制。

怀尔半金属的拓朴性质主要是由时间反转(time reversal)或空间反射(spatial inversion)破坏造成的。反应在电传导性质的特性是它有块体的导电态,也有表面的导电态,叫费米弧(Fermi arc)。而NbAs优异的导电性质就来自于较多的费米弧表面态。

在导电线不断变薄的过程中,NbAs并不会如铜一般,因为表面粗糙造成的散射而电阻上升。NbAs的表面态因为受其拓朴性质保护而不会受太大影响,这是NbAs与铜在厚度减少时导电行为最大的差异。

这次NbAs导电现象的发现还有一个特别有意义的地方,但科技新闻记者却未必注意:实验中的NbAs是用化学气相沈积(Chemical Vapor Deposition;CVD),而不是实验室合成物质的常用方法如分子束外延(Molecular Beam Epitaxy;MBE)或者是脉冲雷射沈积(pulsed laser deposition)。这点对半导体从业人员想必很有感觉,化学气相沈积才是量产方法。

虽然NbAs用于半导体制程的路还有一段路要走—譬如NbAs若长在矽材上表面性质会受多大影响,但是这个发现要比其它单纯的科学发现距离应用要近多了。用数学的辞汇来打比方,这不仅是存在性证明(existence proof),这是建设性证明(constructive proof)—证明本身也提供了解决问题的实际计算方法。这个方法也说明了现在做基础科学研究的人多贴著应用走,做生产技术研发的不好好利用这科学与科技相互涵盖的变化趋势就太可惜了。

[1]: https://www.nature.com/articles/s41563-019-0320-9

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。