隨著半導(dǎo)體芯片的不斷發(fā)展，運算速度越來越快，與此同時發(fā)熱問題也越來越嚴(yán)重，成為制約芯片技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此，熱管理對于開發(fā)高性能電子芯片至關(guān)重要。芯片散熱很大程度上受到各種界面的限制，其中導(dǎo)電溝道附近的半導(dǎo)體和介電基底界面尤其重要。六方氮化硼（h-BN）是一種理想的介電基底修飾材料，能夠改善半導(dǎo)體和介電基底界面。大量研究表明h-BN修飾能夠降低基底表面粗糙度和雜質(zhì)散射對載流子輸運的影響，提高器件載流子遷移率。然而，h-BN在界面熱耗散領(lǐng)域的潛在應(yīng)用則往往被忽視，存在一系列問題。首先是如何在介電基底上修飾共形h-BN?，F(xiàn)有的化學(xué)氣相沉積（CVD）生長方法需要高溫處理和金屬催化劑，應(yīng)用中需要從金屬基底轉(zhuǎn)移到介電基底表面，引入雜質(zhì)、缺陷和間隙，破壞理想的van-der-Waals界面，導(dǎo)致器件遷移率和界面熱導(dǎo)下降。其次，雖然h-BN被認(rèn)為是一種高熱導(dǎo)材料，然而界面熱導(dǎo)和熱導(dǎo)是兩個不同概念，h-BN能否提高半導(dǎo)體與介電基底之間的界面熱導(dǎo)還是一個未知數(shù)。

圖 a, 共形h-BN的掃描探針顯微鏡圖。b, 生長在三維基底上的共形h-BN。c, 共形h-BN修飾的FET器件示意圖。d-e, 共形h-BN修飾和沒有修飾的半導(dǎo)體/介電基底界面熱導(dǎo)示意圖。f, 共形h-BN修飾和沒有修飾的FET器件遷移率和最大飽和功率密度。

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(shù)（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(shù)（Wei*, et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1374）以及二維有機晶體的器件界面調(diào)控技術(shù)（Wei*, et al. Nat. Commun. 2019, 10, 756）。在這些工作基礎(chǔ)上，針對上述問題，魏大程團隊開發(fā)了一種共形h-BN修飾技術(shù)（即準(zhǔn)平衡PECVD），最低300ºC下不需要催化劑直接在二氧化硅/硅片（SiO2/Si）、石英、藍寶石、單晶硅，甚至在具有三維結(jié)構(gòu)的SiO2基底表面生長高質(zhì)量h-BN薄膜，比之前報道的溫度降低了500～800 ºC。共形h-BN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(zhuǎn)移，可直接應(yīng)用于二硒化鎢（WSe2）等場效應(yīng)晶體管（FET）。理論模擬研究表明共形2D-BN有利于半導(dǎo)體與基底之間聲子的傳輸，降低基底粗糙度對界面熱導(dǎo)的影響。共形h-BN修飾后，WSe2 FET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。WSe2 FET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，遠高于現(xiàn)有電腦CPU工作的功率密度（約100 W cm−2）。該工作為解決芯片散熱問題提供了一種介電基底修飾的新技術(shù)，具有重要的應(yīng)用前景。

聚合物分子工程國家重點實驗室和復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系分別為第一、第二完成單位。高分子科學(xué)系博士后劉冬華、陳小松為共同第一作者。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系魏大程研究員、同濟大學(xué)物理與科學(xué)學(xué)院徐象繁研究員和中國科學(xué)院重慶綠色智能研究院魏大鵬研究員為共同通訊作者。魏大程主持了該項研究工作，徐象繁參與了界面熱導(dǎo)測量研究，魏大鵬參與了樣品的合成及表征。此外，同濟大學(xué)陳杰研究員參與了界面熱導(dǎo)的理論計算研究，新加坡國立大學(xué)Andrew T. S. Wee教授參與了掃描隧道顯微鏡和電子結(jié)構(gòu)表征研究。該工作得到國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中組部千人計劃、聚合物分子工程國家重點實驗室的經(jīng)費支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09016-0

來源：復(fù)旦大學(xué)