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  近日，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程研究員團隊長期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。近日，該團隊在場效應晶體管介電基底的界面修飾領域取得重要進展。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）。

  隨著半導體芯片的不斷發展，運算速度越來越快，與此同時發熱問題也越來越嚴重，成為制約芯片技術發展的瓶頸。因此，熱管理對于開發高性能電子芯片至關重要。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（h-BN）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h-BN修飾能夠降低基底表面粗糙度和雜質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在界面熱耗散領域的潛在應用則往往被忽視，存在一系列問題。首先是如何在介電基底上修飾共形h-BN。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。其次，雖然h-BN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，h-BN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。

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體/介電基底界面熱導示意圖。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（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）。在這些工作基礎上，針對上述問題，魏大程團隊開發了一種共形h-BN修飾技術（即準平衡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，甚至在具有三維結構的SiO2基底表面生長高質量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，不用轉移，可直接應用于二硒化鎢（WSe2）等場效應晶體管（FET）。理論模擬研究表明共形2D-BN有利于半導體與基底之間聲子的傳輸，降低基底粗糙度對界面熱導的影響。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，具有重要的應用前景。

  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。高分子科學系博士后劉冬華、陳小松為共同第一作者。復旦大學高分子科學系魏大程研究員、同濟大學物理與科學學院徐象繁研究員和中國科學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測量研究，魏大鵬參與了樣品的合成及表征。此外，同濟大學陳杰研究員參與了界面熱導的理論計算研究，新加坡國立大學Andrew T. S. Wee教授參與了掃描隧道顯微鏡和電子結構表征研究。該工作得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中組部千人計劃、聚合物分子工程國家重點實驗室的經費支持。

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