隨著半導(dǎo)體晶片的不斷發(fā)展，運算速度越來越快，晶片發(fā)熱問題愈發(fā)成為制約晶片技術(shù)發(fā)展的瓶頸，熱管理對於開發(fā)高性能電子晶片至關(guān)重要。近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點實驗室研究員魏大程團隊經(jīng)過三年努力，在場效應(yīng)電晶體介電基底的介面修飾領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該項工作將有望為解決晶片散熱問題提供一種介電基底修飾的新技術(shù)。
為解決晶片發(fā)熱問題，魏大程團隊開發(fā)了一種共形六方氮化硼(h-BN)修飾技術(shù)(即準(zhǔn)平衡PECVD)，在最低溫度300℃的條件下，無需催化劑直接在二氧化矽/矽片(SiO2/Si)、石英、藍(lán)寶石、單晶矽，甚至在具有三維結(jié)構(gòu)的SiO2基底表面生長高品質(zhì)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(zhuǎn)移，可直接應(yīng)用於二硒化鎢(WSe2)等半導(dǎo)體材料的場效應(yīng)電晶體(FET)。這也是六方氮化硼在半導(dǎo)體與介電襯底介面熱耗散領(lǐng)域的首次應(yīng)用。
據(jù)魏大程介紹，晶片散熱很大程度上受到各種介面的限制，其中導(dǎo)電溝道附近的半導(dǎo)體和介電基底介面尤其重要。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(dǎo)體和介電基底介面。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(zhì)對載流子輸運的影響，提高器件載流子遷移率。然而，六方氮化硼在介面熱耗散領(lǐng)域的潛在應(yīng)用則往往被忽視。
“載流子遷移率涉及器件的發(fā)熱問題，遷移率越低，那麼同等電壓下發(fā)熱就越少；而熱耗散則關(guān)係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(xiàn)有六方氮化硼製備方法中的轉(zhuǎn)移過程會產(chǎn)生更多縫隙，同時引入雜質(zhì)、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(zhì)混入，更有利於取得好的結(jié)果?！?/p>
“在我們團隊研發(fā)的這項技術(shù)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(zhuǎn)移。”魏大程介紹，共形六方氮化硼修飾後，二硒化鎢場效應(yīng)電晶體器件遷移率顯著提高；介面熱阻降低；器件工作的最大功率密度提高了2～4倍，高於現(xiàn)有電腦CPU工作的功率密度。這項技術(shù)不僅為解決晶片散熱問題提供了嶄新的思路，同時具有高普適性，不僅可以應(yīng)用於基於二硒化鎢材料的電晶體器件，還可以推廣到其他材料和更多器件應(yīng)用中。此外，該研究中所採用的PECVD技術(shù)是一種晶片製造業(yè)中常用的製造工藝，使得這種共形六方氮化硼具有規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用的巨大潛力。
3月13日，相關(guān)研究成果以《共形六方氮化硼介電介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”)為題線上發(fā)表于《自然?通訊》(Nature Communications)。
研究團隊未來將繼續(xù)致力於開發(fā)場效應(yīng)電晶體電學(xué)材料，包括共軛有機分子、大分子、低維納米材料，研究場效應(yīng)電晶體器件的設(shè)計原理以及在光電、化學(xué)傳感、生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。
