芯片對于民用和國防多個領域至關重要，也是我國核心科技的“卡脖子”難題之一。根據摩爾定律，晶體管的溝道長度逐年縮短，與此同時半導體材料的厚度也會同比例微縮。但随着晶體管溝道尺寸的極限微縮，傳統矽基晶體管的尺寸已達到物理極限，迫切需要尋找下一代新型半導體材料進一步提高芯片的集成度。單層過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）面内異質結由于具有原子級厚度和極高的開關比，有望取代矽基材料延續并突破摩爾定律的發展，同時界面摻雜和界面形狀調控為提升其性能提供了新的策略，然而面内異質結的可控合成仍面臨巨大的挑戰；另一方面，芯片的高度集成化會導緻局部熱流密度大幅上升，散熱問題成為阻礙芯片産業發展的關鍵難題，但由于半導體材料中普遍存在的三聲子散射作用，材料熱導率随着溫度升高而下降，在大功率工作條件下将加速芯片的熱失效。
針對上述難點問題，清華大學航天航空學院張興教授團隊和beat365呂瑞濤課題組合作，采用金箔輔助的常壓化學氣相沉積（Atmospheric-Pressure Chemical Vapor Deposition, AP-CVD）方法合成了單層MoSe2-WSe2面内異質結，采用高精度納米定位和電子束曝光加工技術制備得到了具有不同界面轉角的懸架H型電子器件，使用高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）和拉曼光譜掃描方法精确表征了異質結界面的原子結構、形貌、位置和角度（圖1）。該異質結由MoSe2和WSe2組成，具有鋸齒狀的界面形貌，并且在界面兩側存在一定濃度的原子摻雜。
圖1 不同界面角度MoSe2-WSe2異質結器件的制備與表征
二維面内異質結器件的測量結果表明，當電子和聲子垂直通過異質結界面時，器件具有最高104的電整流比和96%的熱整流比（圖2）。随着溫度升高，正向導通電流和反向截止電流均增大，電整流比降低，而器件的熱整流比變化不大；當異質結界面旋轉45度時，反向截止電流顯著增大，導緻器件的電整流比明顯下降，同時熱整流比也降低至32%；當異質結界面旋轉90度，即界面和電子、聲子的運動方向平行時，電子和聲子輸運的不對稱性消失，導緻器件的電整流和熱整流效應同時消失。
圖2 MoSe2-WSe2異質結器件的電整流和熱整流特性測量
研究團隊通過分子動力學模拟揭示了單層MoSe2-WSe2面内二維異質結具有高熱整流比的内在機制（圖3）。一方面，界面兩側材料的非對稱性導緻溫度梯度轉變時界面處的聲子态密度重合度存在明顯差異，當熱量從MoSe2流向WSe2時，聲子态密度重合度更大，聲子也更容易通過界面；另一方面，二維異質結界面形狀的不規則和元素的局部摻雜會導緻聲子局域化效應，計算結果表明，當溫度梯度方向從WSe2到MoSe2時，聲子局域化效應更加顯著，進一步抑制了該方向的聲子輸運。在這兩個機制的共同作用下，器件具有96%的高熱整流比。
圖3 MoSe2-WSe2異質結熱整流機理揭示
研究團隊進一步發現熱整流效應将顯著提升電子器件在大功率條件下的散熱能力。當面内異質結二極管器件處于反向截止狀态時，通過器件的電流很小，器件幾乎沒有溫升，熱量的傳遞沒有特定方向；而當二極管器件處于正向導通狀态時，通過器件的電流随着功率升高而快速增加，從MoSe2到WSe2方向形成明顯的溫度梯度，該方向的熱導率提升96%。材料熱導率的增加将顯著提升器件的散熱性能，實驗測量結果顯示面内異質結器件可以承受60 V的大偏置電壓，此時異質結界面溫升約為100 °C（圖4）。
圖4 大偏置電壓條件下MoSe2-WSe2異質結器件的界面溫升測量
相關成果以“單層面内異質結的同步電/熱整流”(Simultaneous electrical and thermal rectification in monolayer lateral heterojunction)為題，于10月14日發表在國際著名期刊《科學》（Science）上。清華大學航天航空學院2018級博士生張宇峰和beat3652018級博士生呂倩為文章的共同第一作者。清華大學為論文的第一完成單位和唯一通訊單位，清華大學航天航空學院張興教授、beat365呂瑞濤副教授和航天航空學院王海東副教授為論文的共同通訊作者。清華大學物理系熊啟華教授和航天航空學院碩士生趙帥伊等為論文做出了重要貢獻。該項研究得到了國家自然科學基金委和國家重點研發計劃的資助。
相關鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq0883