量子模型揭示单个电子如何在硅芯片内部造成损伤

加州大学圣塔芭芭拉分校材料系的研究人员揭示了一种难以探明的量子机理：高能电子会破坏微电子器件内部的化学键，这一有害过程会随时间不断降低器件性能。这一研究成果不仅解释了困扰学界数十年的实验难题，也让科学家在研制更可靠器件的方向上迈出重要一步。

热电子如何损伤芯片

从智能手机、笔记本电脑，到太阳能电池与医用植入设备，现代电子器件都依赖半导体材料长期保持稳定可靠。但即便是最先进的器件也会出现渐进性损耗，最终限制其性能。热载流子退化是主要元凶，在这一现象中，被电场加速的高能电子会在器件内部深处引发化学变化。直到现在，这一过程背后的确切物理机制仍不明确，也限制了工程师对该现象的抑制能力。

Chris Van de Walle 教授领导的计算材料研究团队揭示了引发化学键断裂的量子机制。团队重点研究了每个晶体管核心位置、硅 - 二氧化硅界面附近存在的硅氢键。在制造过程中，人们会有意引入氢原子，对断裂的硅键进行钝化处理，即避免这些断键成为影响器件性能的电学活性缺陷。然而，当氢原子持续受到晶体管内流动电子的冲击时，偶尔会发生脱离，使断裂的硅键重新暴露，进而导致器件性能下降。

概念示意图：单个 “热电子” 导致硅氢键断裂，使器件性能下降。图片来源：Woncheol Lee

该领域的传统观点认为，化学键断裂是大量电子反复撞击的累积结果。Van de Walle 团队通过先进的量子模拟证实，这一过程实际上由单个电子即可触发。研究人员发现了一种此前未被发现的隐藏电子态，它在该机制中起到关键作用：当高能电子短暂占据这一能级时，会削弱硅氢键并将氢原子推离原有位置。

团队的第二项突破在于，揭示了氢原子在脱离化学键时遵循的是量子力学规律，而非经典物理规律。如果氢原子遵循经典粒子行为，我们只需根据硅原子与氢原子之间的距离，就能简单定义键合断裂的判据。但氢原子并非经典粒子，其行为更接近电子云或波包。因此，化学键断裂的判定依据，是氢原子波包延展超出特定距离的概率。

解决长期悬而未决的实验难题

这一新发现的机制能够解释多年来困扰科研人员的多项实验现象。例如，学界一直无法理解为何电子能量在约 7 电子伏特时，断键造成的危害最为显著；新研究结果表明，这一能量值恰好对应上述新发现的隐藏电子态能级。

实验人员还曾观察到，该过程与温度无关，且用氘替代氢后，反应速率会大幅降低（慢约一百倍）。氘是氢的同位素，电学性质与氢完全一致，但质量是氢的两倍。全新的量子模型能够完整解释这些现象，证实其背后的物理机理终于被阐明。

“我们的研究表明，在高度非经典的物理区域内，电子与原子核之间的相互作用正是驱动化学键断裂的原因。”Van de Walle 实验室博士后研究员、该论文第一作者 Woncheol Lee 表示，“这一过程并不符合常见的热致损伤模型，它是一种短寿命量子事件，如今我们无需依赖实验拟合即可对其进行建模。”

对未来电子材料的意义

这一突破的应用价值不仅限于硅基技术。电子诱导化学键断裂现象在多种材料中均会出现，包括用于发光二极管（LED）和电力电子器件的半导体材料。目前，器件退化问题仍是紫外LED产业化的一大障碍，而工程师们希望将紫外LED用于消毒、净水等重要应用场景。

Van de Walle 表示：“我们构建的量子理论框架为材料科学家提供了一种预测工具，可用于评估哪些化学键在极端条件下最易断裂，从而为研发更稳定、寿命更长的材料开辟了道路。”