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具潛力的奈米金屬導線材料:砷化鈮

  • 林育中

到了深奈米的製程,元件的線幅、厚度不斷微縮,金屬行徑產生了質的變化。Applied Materials, Inc.

這幾年奈米材料的進展在半導體及相關領域迅速開展,速度令人眩目驚心。先是去年下半年發現拓樸絕緣體(topological insulator)銻化鉍(BiSb)可以用來做為SOT MRAM的磁化翻轉機制導線材料,數量級的大幅降低所需電流與功耗、提昇寫入速度。3月底才於《Nature Materials》[1]發表的砷化鈮(NbAs)則對未來半導體深奈米金屬連線提供了極有潛力的材料。

NbAs其實不是金屬。嚴格來說,它是半金屬(semimetal)。金屬的導電帶(conduction band)與共價帶(valence band)重疊,電子得以自由流動;半金屬的導電帶與共價帶只有一點接觸,可用以導電的電子帶較少,因此導電性一般不如金屬。

到了深奈米的製程,元件的線幅、厚度不斷微縮,金屬行徑產生了質的變化。由於厚度較薄,因表面散射的影響越來越大,電阻也跟著增加,這就成為深奈米元件能秏的重大考量。NbAs的電導(conductance)就成了最吸引人的性質。簡單來說,NbAs在室溫時電導是銅的3倍。

NbAs優異的電導性質怎麼產生的?它是一種拓樸材料,叫懷爾半金屬(Weyl semimetal)。它與拓樸絕緣體不同,拓樸絕緣體在塊體內(bulk)是絕緣的,只有表面導電,講術語就是自由電子只有表面態(surface state)。而這表面電流中電子的動量方向與自旋方向相互垂直,術語叫自旋動量鎖定(spin-momentum locking),因而表面電流也攜帶有定向的自旋流(spin current),SOT MRAM就是利用這自旋流來翻轉磁化層的磁矩方向,成就寫入機制。

懷爾半金屬的拓樸性質主要是由時間反轉(time reversal)或空間反射(spatial inversion)破壞造成的。反應在電傳導性質的特性是它有塊體的導電態,也有表面的導電態,叫費米弧(Fermi arc)。而NbAs優異的導電性質就來自於較多的費米弧表面態。

在導電線不斷變薄的過程中,NbAs並不會如銅一般,因為表面粗糙造成的散射而電阻上升。NbAs的表面態因為受其拓樸性質保護而不會受太大影響,這是NbAs與銅在厚度減少時導電行為最大的差異。

這次NbAs導電現象的發現還有一個特別有意義的地方,但科技新聞記者卻未必注意:實驗中的NbAs是用化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition;CVD),而不是實驗室合成物質的常用方法如分子束外延(Molecular Beam Epitaxy;MBE)或者是脈衝雷射沈積(pulsed laser deposition)。這點對半導體從業人員想必很有感覺,化學氣相沈積才是量產方法。

雖然NbAs用於半導體製程的路還有一段路要走—譬如NbAs若長在矽材上表面性質會受多大影響,但是這個發現要比其它單純的科學發現距離應用要近多了。用數學的辭彙來打比方,這不僅是存在性證明(existence proof),這是建設性證明(constructive proof)—證明本身也提供了解決問題的實際計算方法。這個方法也說明了現在做基礎科學研究的人多貼著應用走,做生產技術研發的不好好利用這科學與科技相互涵蓋的變化趨勢就太可惜了。

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

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。