隨著半導體晶片的不斷發展，運算速度越來越快，晶片發熱問題愈發成為制約晶片技術發展的瓶頸，熱管理對於開發高性能電子晶片至關重要。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研究員魏大程團隊經過三年努力，在場效應電晶體介電基底的介面修飾領域取得重要進展。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。
為解決晶片發熱問題，魏大程團隊開發了一種共形六方氮化硼(h-BN)修飾技術(即准平衡PECVD)。據魏大程介紹，晶片散熱很大程度上受到各種介面的限制，其中導電溝道附近的半導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域的潛在應用則往往被忽視。
“載流子遷移率涉及器件的發熱問題，遷移率越高，那麼同等電壓下發熱就越少;而熱耗散則關係到如何將這些熱量釋放掉。”魏大程解釋道，“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，現有六方氮化硼製備方法中的轉移過程會產生更多縫隙，同時引入雜質、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，沒有雜質混入，更有利於取得好的結果。”
“在我們團隊研發的這項技術中，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，還無需轉移。” 據魏大程介紹，共形六方氮化硼修飾後，二硒化鎢場效應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，高於現有電腦CPU工作的功率密度。這項技術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，可應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用中。此外，該研究中所採用的PECVD技術是一種晶片製造業中常用的製造工藝，使得這種共形六方氮化硼具有規模化生產和應用的巨大潛力。
研究團隊未來將繼續致力於開發場效應電晶體電學材料，包括共軛有機分子、大分子、低維納米材料，研究場效應電晶體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。