隨著晶片技術不斷向更小、更複雜的方向發展，傳輸訊號的超細金屬線成為關鍵瓶頸。傳統銅導線在尺寸縮小至奈米級時，電阻大幅上升，導電率降低，導致電子元件的性能受限並增加能耗。近期，史丹佛大學的研究團隊於 1 月 3 日在《科學》（Science）期刊發表研究，證實一種名為磷化鈮（Niobium Phosphide, NbP）的材料，在只有幾個原子厚度的薄膜，其導電性能超越銅，並且可在較低溫度下製造，與現有晶片製造流程相容。這項突破有望推動更高效、更節能的電子產品發展。
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超薄磷化鈮導電性能優於銅
研究顯示，當金屬線厚度降至 50 奈米以下時，銅等傳統金屬的導電性能會大幅下降，主要原因是電子在傳輸時與導線表面發生散射（scattering），導致能量以熱量形式流失。然而，磷化鈮屬於拓樸半金屬（topological semimetal），這類材料的電子結構具有獨特的量子特性使整個材料都導電，使其表面導電能力極高，甚至高於內部。因此，當磷化鈮薄膜變得極薄時，導電性能仍能保持優越，即使在室溫下厚度低於 5 奈米時，其導電性仍勝過銅。
研究作者之一 Asir Intisar Khan 指出，突破傳統銅導線的技術瓶頸，使用磷化鈮作為超細金屬線的導體，不僅能加快訊號傳輸速度，還能提升晶片能源效率。尤其對於大型數據中心而言，成千上萬的晶片若能稍微提高效率，整體效能提升將極為可觀，並能減少能源消耗。
低溫製造優勢與奈米電子應用潛力
現今的奈米電子技術對導體材料有極高要求，最佳候選材料通常需具備極為精確的晶體結構，但這類材料往往需要在極高溫度下形成，難以與矽基晶片製程整合。然而，磷化鈮擁有單晶晶體結構，且可在相對較低的 400°C 下沉積形成薄膜，足以避免損壞矽基晶片，使其成為極具潛力的奈米電子導體材料。此外，研究發現，即便磷化鈮並非以最完美的晶體結構製造，其獨特的量子特性仍能發揮作用，這進一步降低了製造門檻，為未來應用鋪平道路。
未來發展與挑戰
儘管磷化鈮展現出卓越的導電性能與製程優勢，但短期內仍無法完全取代銅，特別是在較厚的導線與金屬線應用上，銅依然是最佳選擇。然而，磷化鈮的出現為超薄連接提供了新的可能性，並開啟了探索其他拓樸半金屬材料的契機。目前，研究團隊正進一步研究類似材料，以期進一步提升磷化鈮的導電性能與製程穩定性。
整體而言，磷化鈮的發現與應用，為未來更高效、更節能的晶片技術提供了突破性解決方案，並可能為超細金屬線的發展帶來革命性變革。隨著研究持續深入，磷化鈮與其他拓樸半金屬材料的潛力，將在未來電子產品與半導體產業中發揮越來越重要的作用。
參考文獻:
- 磷化鈮在超薄狀態導電性優於銅，可能成為奈米電子新選擇
- 史丹佛大學工程研究員發現新佈線材料可取代銅，或許未來將改變晶片技術
- Stanford Engineering researchers find materials that conducts better than copper. Eureka. 2025/01/13.
- A new ultrathin conductor for nanoelectronics. Stanford Report. 2025/01/08.
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