我国学者在热/电一体化整流方面取得新进展

图1 不同界面角度MoSe₂-WSe₂异质结整流器件的制备与表征

图2 MoSe₂-WSe₂异质结器件的电整流和热整流特性测量结果

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51976096、51827807、52130602）的资助下，清华大学航天航空学院张兴教授、王海东副教授和材料学院吕瑞涛副教授课题组合作成功开发出首个二维面内异质结热/电一体化整流器，在原子级厚度的二维异质结界面上获得了最高10⁴的电整流比和96%的热整流比。该研究成果以“单层面内异质结的同步电/热整流（Simultaneous electrical and thermal rectification in a monolayer lateral heterojunction）”为题，发表在近期的《科学》（Science）期刊上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq0883。

　　芯片是我国核心科技的“卡脖子”难题，随着芯片尺寸的逐渐降低，对材料科学和热科学等领域都提出了新的挑战。一方面，传统硅基晶体管的栅极宽度已达到物理极限，需要寻找下一代新型半导体材料进一步提高芯片的集成度。单层过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）材料由于具有原子级厚度和极高的开关比，有望取代硅基材料进一步减小晶体管尺寸；另一方面，芯片的高度集成化会导致局部热流密度大幅上升，散热问题成为阻碍芯片产业发展的关键难题，但由于半导体材料中普遍存在的三声子散射作用，材料热导率随着温度升高而下降，在大功率工作条件下将加速芯片的热失效。

　　为了解决上述难题，研究团队采用常压化学气相沉积（Atmospheric-Pressure Chemical Vapor Deposition, AP-CVD）方法合成了单层MoSe₂-WSe₂面内异质结材料，采用高精度纳米定位和电子束曝光加工技术制备得到了具有不同界面转角的悬架H型电子器件（图1）。测量结果表明，当电子和声子垂直通过异质结界面时，器件具有最高10⁴的电整流比和96%的热整流比（图2）。研究团队进一步发现热整流效应将显著提升电子器件在大功率条件下的散热能力，当二极管器件处于正向导通状态时，通过器件的电流随着功率升高而快速增加，从MoSe₂到WSe₂方向形成明显的温度梯度，使该方向的热导率提升96%。材料热导率的增加将显著提升器件的散热性能，实验测量结果显示单层二维异质结整流器件可以承受60 V的大偏置电压，此时器件的局部热点温升相比无热整流条件降低了约20%。

　　该研究表明，新型二维面内异质结器件不仅具有原子级厚度、宽带隙、高迁移率的优点，并且在大功率工作条件下，材料热导率沿着特定方向获得显著提升，无需外界冷却即可大幅降低高温热点温度和热应力，有效提升器件性能、延长使用寿命。研究结果有望改变仅依靠外部手段冷却芯片的传统思路，通过提高半导体材料自身的导热能力从根本上解决大功率芯片的散热难题。