《自然通讯》魏大程课题组开发解决芯片散热问题的介电基底修饰技术

2019-03-10

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长期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。近日,在场效应晶体管介电基底的界面修饰领域取得重要进展。相关研究成果3月13日以《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 2019,10,1188)。


随着半导体芯片的不断发展,运算速度越来越快,与此同时发热问题也越来越严重,成为制约芯片技术发展的瓶颈。因此,热管理对于开发高性能电子芯片至关重要。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(h-BN)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h-BN修饰能够降低基底表面粗糙度和杂质散射对载流子输运的影响,提高器件载流子迁移率。然而,h-BN在界面热耗散领域的潜在应用则往往被忽视,存在一系列问题。首先是如何在介电基底上修饰共形h-BN。现有的化学气相沉积(CVD)生长方法需要高温处理和金属催化剂,应用中需要从金属基底转移到介电基底表面,引入杂质、缺陷和间隙,破坏理想的van-der-Waals界面,导致器件迁移率和界面热导下降。其次,虽然h-BN被认为是一种高热导材料,然而界面热导和热导是两个不同概念,h-BN能否提高半导体与介电基底之间的界面热导还是一个未知数。


在前期研究中,魏大程团队建立了二维原子晶体的等离子体增强CVD(PECVD)制备技术(Wei*, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 14121; Wei*, et al. Nat. Commun. 2018, 9, 193),等离子体刻蚀及修饰技术(Wei*, et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1374)以及二维有机晶体的器件界面调控技术(Wei*, et al. Nat. Commun. 2019, 10, 756)。在这些工作基础上,针对上述问题,魏大程团队开发了一种共形h-BN修饰技术(即准平衡PECVD),最低300ºC下不需要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h-BN薄膜,比之前报道的温度降低了500~800 ºC。共形h-BN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)等场效应晶体管(FET)。理论模拟研究表明共形2D-BN有利于半导体与基底之间声子的传输,降低基底粗糙度对界面热导的影响。共形h-BN修饰后,WSe2 FET器件迁移率从2~21 cm2V-1s-1提高到56~121 cm2V-1s-1;界面热阻(WSe2/h-BN/SiO2)低于4.2×10-8 m2KW-1,比没有修饰的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,达到4.23×103 W cm-2,远高于现有电脑CPU工作的功率密度(约100 W cm−2)。该工作为解决芯片散热问题提供了一种介电基底修饰的新技术,具有重要的应用前景。


聚合物分子工程国家重点实验室和复旦大学高分子科学系分别为第一、第二完成单位。高分子科学系博士后刘冬华、陈小松为共同第一作者。复旦大学高分子科学系魏大程研究员、同济大学物理与科学学院徐象繁研究员和中国科学院重庆绿色智能研究院魏大鹏研究员为共同通讯作者。魏大程主持了该项研究工作,徐象繁参与了界面热导测量研究,魏大鹏参与了样品的合成及表征。此外,同济大学陈杰研究员参与了界面热导的理论计算研究,新加坡国立大学Andrew T. S. Wee教授参与了扫描隧道显微镜和电子结构表征研究。该工作得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中组部千人计划、聚合物分子工程国家重点实验室的经费支持。


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a, 共形h-BN的扫描探针显微镜图。b, 生长在三维基底上的共形h-BNc, 共形h-BN修饰的FET器件示意图。d-e, 共形h-BN修饰和没有修饰的半导体/介电基底界面热导示意图。f, 共形h-BN修饰和没有修饰的FET器件迁移率和最大饱和功率密度。


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