复旦共形六方氮化硼修饰技术改善二硒化钨晶体管散热

随着半导体芯片的不断发展,运算速度越来越快,芯片发热问题愈发成为制约芯片技术发展的瓶颈,热管理对于开发高性能电子芯片至关重要。近日,复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室研究员魏大程团队经过三年努力,在场效应晶体管介电基底的界面修饰领域取得重要进展。该项工作将有望为解决芯片散热问题提供一种介电基底修饰的新技术。

为解决芯片发热问题,魏大程团队开发了一种共形六方氮化硼(h-BN)修饰技术(即准平衡PECVD),在最低温度300℃的条件下,无需催化剂直接在二氧化硅/硅片(SiO2/Si)、石英、蓝宝石、单晶硅,甚至在具有三维结构的SiO2基底表面生长高质量六方氮化硼薄膜。共形六方氮化硼具有原子尺度清洁的van-der-Waals介电表面,与基底共形紧密接触,不用转移,可直接应用于二硒化钨(WSe2)等半导体材料的场效应晶体管(FET)。这也是六方氮化硼在半导体与介电衬底界面热耗散领域的首次应用。

二维六方氮化硼表征图片

据魏大程介绍,芯片散热很大程度上受到各种界面的限制,其中导电沟道附近的半导体和介电基底界面尤其重要。六方氮化硼是一种理想的介电基底修饰材料,能够改善半导体和介电基底界面。大量研究表明,六方氮化硼修饰能够降低基底表面粗糙度和杂质对载流子输运的影响,提高器件载流子迁移率。然而,六方氮化硼在界面热耗散领域的潜在应用则往往被忽视。

“载流子迁移率涉及器件的发热问题,迁移率越低,那么同等电压下发热就越少;而热耗散则关系到如何将这些热量释放掉。”魏大程解释道,“普通的六方氮化硼,我们将它比喻成一张纸,一张纸覆盖在材料表面难免有缝隙,现有六方氮化硼制备方法中的转移过程会产生更多缝隙,同时引入杂质、缺陷,对研究带来不利影响。而共形六方氮化硼是完全贴合在材料表面的,中间无缝隙,没有杂质混入,更有利于取得好的结果。”

“在我们团队研发的这项技术中,共形六方氮化硼是直接在材料表面生长的,不仅完全贴合、不留缝隙,还无需转移。”魏大程介绍,共形六方氮化硼修饰后,二硒化钨场效应晶体管器件迁移率显著提高;界面热阻降低;器件工作的最大功率密度提高了2~4倍,高于现有电脑CPU工作的功率密度。这项技术不仅为解决芯片散热问题提供了崭新的思路,同时具有高普适性,不仅可以应用于基于二硒化钨材料的晶体管器件,还可以推广到其他材料和更多器件应用中。此外,该研究中所采用的PECVD技术是一种芯片制造业中常用的制造工艺,使得这种共形六方氮化硼具有规模化生产和应用的巨大潜力。

3月13日,相关研究成果以《共形六方氮化硼介电界面改善二硒化钨器件迁移率和热耗散》(“Conformal Hexagonal-Boron Nitride Dielectric Interface for Tungsten Diselenide Devices with Improved Mobility and Thermal Dissipation”)为题在线发表于《自然?通讯》(Nature Communications)。

研究团队未来将继续致力于开发场效应晶体管电学材料,包括共轭有机分子、大分子、低维纳米材料,研究场效应晶体管器件的设计原理以及在光电、化学传感、生物传感等领域的应用。

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