新聞中心訊 隨著半導體芯片的高分不斷發展，運算速度越來越快，科學課題芯片發熱問題愈發成為制約芯片技術發展的系魏瓶頸，熱管理對于開發高性能電子芯片至關重要。大程電基底修得重近日，組介復旦大學高分子科學系、飾技術領聚合物分子工程國家重點實驗室研究員魏大程團隊經過三年努力，進展在場效應晶體管介電基底的高分界面修飾領域取得重要進展。3月13日，科學課題相關研究成果以《共形六方氮化硼介電界面改善二硒化鎢器件遷移率和熱耗散》（“Conformal Hexagonal-Boron　Nitride　Dielectric　Interface for　Tungsten　Diselenide　Devices with　Improved Mobility and Thermal Dissipation”）為題在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。系魏該項工作將有望為解決芯片散熱問題提供一種介電基底修飾的大程電基底修得重新技術。

為解決芯片發熱問題，組介魏大程團隊開發了一種共形六方氮化硼（h-BN）修飾技術（即準平衡PECVD），飾技術領在最低溫度300 oC的進展條件下，無需催化劑直接在二氧化硅/硅片（SiO2/Si）、高分石英、藍寶石、單晶硅，甚至在具有三維結構的SiO2基底表面生長高質量六方氮化硼薄膜。共形六方氮化硼具有原子尺度清潔的van-der-Waals介電表面，與基底共形緊密接觸，不用轉移，可直接應用于二硒化鎢（WSe2）等半導體材料的場效應晶體管（FET）。這也是六方氮化硼在半導體與介電襯底界面熱耗散領域的首次應用。

據魏大程介紹，芯片散熱很大程度上受到各種界面的限制，其中導電溝道附近的半導體和介電基底界面尤其重要。六方氮化硼是一種理想的介電基底修飾材料，能夠改善半導體和介電基底界面。大量研究表明，六方氮化硼修飾能夠降低基底表面粗糙度和雜質對載流子輸運的影響，提高器件載流子遷移率。然而，六方氮化硼在界面熱耗散領域的潛在應用則往往被忽視。

“載流子遷移率涉及器件的發熱問題，遷移率越高，那么同等電壓下發熱就越少；而熱耗散則關系到如何將這些熱量釋放掉?！蔽捍蟪探忉尩?，“普通的六方氮化硼，我們將它比喻成一張紙，一張紙覆蓋在材料表面難免有縫隙，現有六方氮化硼制備方法中的轉移過程會產生更多縫隙，同時引入雜質、缺陷，對研究帶來不利影響。而共形六方氮化硼是完全貼合在材料表面的，中間無縫隙，沒有雜質混入，更有利于取得好的結果。”

“在我們團隊研發的這項技術中，共形六方氮化硼是直接在材料表面生長的，不僅完全貼合、不留縫隙，還無需轉移?！?魏大程補充道。這項技術將從嶄新的角度為解決芯片散熱問題提供新思路。

雖然六方氮化硼在學界的交流與報告會中曾被多次提及，但其在界面熱耗散領域的潛在應用卻往往被忽視，魏大程團隊正是在多次交流中獲得靈感，開始這一研究工作。

但產生研究想法只是第一步，如何在介電基底上修飾共形六方氮化硼是需要解決的第一個問題。現有的化學氣相沉積（CVD）生長方法需要高溫處理和金屬催化劑，應用中需要從金屬基底轉移到介電基底表面，引入雜質、缺陷和間隙，破壞理想的van-der-Waals界面，導致器件遷移率和界面熱導下降。“而器件遷移率越低，發熱就越高；界面熱導下降則會使散熱性能變差?！蔽捍蟪探忉屨f。其次，雖然六方氮化硼被認為是一種高熱導材料，然而界面熱導和熱導是兩個不同概念，六方氮化硼能否提高半導體與介電基底之間的界面熱導還是一個未知數。

種種問題皆是阻礙。在前期研究中，魏大程團隊建立了二維原子晶體的等離子體增強CVD（PECVD）制備技術（Wei*, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 14121; Wei*, et al. Nat. Commun. 2018, 9, 193），等離子體刻蝕及修飾技術（Wei*, et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1374）以及二維有機晶體的器件界面調控技術（Wei*, et al. Nat. Commun. 2019, 10, 756）。

歷時三年，團隊最終開發出共形六方氮化硼修飾技術。魏大程介紹說，共形六方氮化硼修飾后，二硒化鎢場效應晶體管器件遷移率從2~21 cm2V-1s-1提高到56~121 cm2V-1s-1；界面熱阻（WSe2/h-BN/SiO2）低于4.2×10-8 m2KW-1，比沒有修飾的WSe2/SiO2界面降低了4.55×10-8 m2KW-1。器件工作的最大功率密度提高了2～4倍，達到4.23×103 W cm-2，高于現有電腦CPU工作的功率密度（約100 W cm-2）。這也為解決芯片散熱問題提供了嶄新的思路。這一技術具有高普適性，不僅可以應用于基于二硒化鎢材料的晶體管器件，還可以推廣到其他材料和更多器件應用中。此外，該研究中所采用的PECVD技術是一種芯片制造業中常用的制造工藝，使得這種共形六方氮化硼具有規?；a和應用的巨大潛力。

研究團隊未來將繼續致力于開發場效應晶體管電學材料，包括共軛有機分子、大分子、低維納米材料，研究場效應晶體管器件的設計原理以及在光電、化學傳感、生物傳感等領域的應用。

聚合物分子工程國家重點實驗室和復旦大學高分子科學系分別為第一、第二完成單位。復旦大學高分子科學系研究員魏大程、同濟大學物理與科學學院研究員徐象繁和中國科學院重慶綠色智能研究院研究員魏大鵬為共同通訊作者。復旦大學高分子科學系博士后劉冬華、陳小松為共同第一作者。魏大程主持了該項研究工作，徐象繁參與了界面熱導測量研究，魏大鵬參與了樣品的合成及表征。此外，同濟大學研究員陳杰參與了界面熱導的理論計算研究，新加坡國立大學教授Andrew T. S. Wee參與了掃描隧道顯微鏡和電子結構表征研究。研究工作得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、聚合物分子工程國家重點實驗室的經費支持。

（封面制圖：尹逸柔）

制圖：實習編輯：責任編輯：