科技日报记者 张佳欣
芯片为什么会在长期使用中悄然“变慢”甚至失效？这一困扰微电子领域多年的问题，如今有了答案。据最新一期《物理评论B》报道，美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校材料系研究团队揭示了一种关键量子机制，即高能电子如何在芯片内部打断化学键，从而在长期运行中悄然损伤器件性能。这一发现不仅解释了一些数十年来未解的实验现象，也为设计更可靠的电子器件提供了新思路。
即便是最先进的芯片，也会随着时间推移逐渐“老化”。其“元凶”之一，就是所谓的“热载流子退化”。带电的高能电子会在器件内部引发化学变化，慢慢侵蚀芯片性能，但这一过程的具体机制一直不清楚。
此次，研究团队将目光投向晶体管中的硅与氧化层界面。在这里，制造过程中会引入氢原子，对断裂的硅键进行“钝化”，相当于给这些“缺口”打上补丁，避免其变成影响性能的电学缺陷。但在器件工作时，电子持续流动，会使氢原子脱离。一旦“补丁”脱落，断裂的硅键重新暴露，器件性能也随之下降。
长期以来，学界普遍认为，这种键断裂是大量电子反复“撞击”累积的结果。但团队通过先进量子模拟发现，单个高能电子就足以触发这一过程。他们识别出一个此前隐藏的电子态，当电子短暂“占据”这一态时，会削弱硅—氢键，并将氢原子从原位“推开”。更重要的是，研究发现氢原子的脱离遵循量子力学规律，而非经典力学。在传统理解中，只要硅和氢之间距离超过阈值，就意味着键断裂。但在量子世界里，氢更像一团弥散的“云”或“波包”，键是否断裂取决于其扩散到一定范围之外的概率。
团队表示，这一量子框架为材料科学家提供了一种全新的“预测工具”，可以提前判断在极端条件下哪些化学键更容易断裂，有望指导人们设计出更稳定、寿命更长的电子材料与器件。
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