一个原子有多高？不到1纳米，头发直径的几百分之一。研究表明：在一个小小芯片中，半导体材料和绝缘体材料之间，以六方氮化硼为材质的界面材料，将对其电子迁移率和散热产生至关重要的影响，传统手段中，研究人员先将其在别的“盆”里种出来，然后移栽到芯片材料上。
近日，复旦大学的科学家研发出一种新技术，让单原子的六方氮化硼膜从芯片材料表面直接生长出来。这一带来“无缝”效果的共形修饰技术，令芯片材料性能显著提升，为电子信息技术发展带来新的可能。
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。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》为题在线发表于《自然·通讯》。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 ºC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。
结构示意图
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，迁移率越高，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。” 魏大程补充道。这项技术将从崭新的角度为解决芯片散热问题提供新思路。
虽然六方氮化硼在学界的交流与报告会中曾被多次提及，但其在界面热耗散领域的潜在应用却往往被忽视，魏大程团队正是在多次交流中获得灵感，开始这一研究工作。
然而，产生研究想法只是第一步，如何在介电基底上修饰共形六方氮化硼是需要解决的第一个问题。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。“而器件迁移率越低，发热就越高；界面热导下降则会使散热性能变差。”魏大程解释说。其次，虽然六方氮化硼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，六方氮化硼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。
历时三年，课题组团队最终开发出共形六方氮化硼修饰技术。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。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，高于现有电脑CPU工作的功率密度（约100 W cm-2）。这也为解决芯片散热问题提供了崭新的思路。这一技术具有高普适性，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。
据了解，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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