（通讯员 黄剑）11月2日，美国化学会权威期刊《应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心辛国庆教授课题组题为“Improved Thermal Dissipation in a MoS₂ Field-Effect Transistor by Hybrid High-k Dielectric Layers”的论文。中心博士生黄剑为论文第一作者，辛国庆教授为论文通讯作者，华中科技大学机械科学与工程学院高远研究员、西安建筑科技大学信息与控制工程学院樊庆扬教授、国防科技大学空天科学院陈强博士后参与了相关研究工作。

过渡金属二硫化物MoS₂因其纳米级薄结构和卓越的电学特性，被认为是超越硅材料的有力候选，作为沟道材料有望继续微缩晶体管尺寸。随着晶体管集成度的指数级增长，功率密度显著提升，导致大量焦耳热产生。因此，器件的散热是影响其性能和寿命的重要因素。然而，通用的高k介电层HfO₂由于其相对粗糙的界面形貌以及与MoS₂有较大的声子错配度和较小的界面结合力，导致界面热阻较大，严重影响其散热。

图1 MoS₂场效应晶体管的热耗散示意图（a、b）、光学显微照片（c）以及拉曼光谱表征（d）

为了改善传统高k介电层HfO₂的较大界面热阻的问题，该工作在HfO₂表面继续采用原子层沉积技术增加薄层Al₂O₃，得到高k高界面热导复合栅介电层。通过拉曼电加热法测得MoS₂与HfO₂和Al₂O₃的界面热导分别是9.8±3.8 MW m⁻²K⁻¹、23.1±2.1 MW m⁻²K⁻¹。Al₂O₃与MoS₂的界面热导是HfO₂与MoS₂的两倍之多，这得益于Al₂O₃与MoS₂的界面更加的平整，粗糙度更小，同时Al₂O₃与MoS₂具有更大的声子匹配度和界面结合力，从而更加利于声子在界面传输。通过在传统的高k介电层HfO₂上继续采用原子层沉积技术增加一层高界面热导的Al₂O₃，得到高k高界面热导的复合栅介电层Al₂O₃/HfO₂。相较于单一的HfO₂介电层，具有复合栅介电层Al₂O₃/HfO₂的MoS₂场效应晶体管的热耗散能力明显增强。当功率密度为0.79mW/μm²时，单一HfO₂介电层上的MoS₂场效应晶体管的最大温升达到了155℃，而复合栅介电层Al₂O₃/HfO₂的MoS₂场效应晶体管的最大温升只有105℃。更好的热耗散能力也使得电子与声子的散射减少，从而进一步提高了复合栅介电层Al₂O₃/HfO₂的MoS₂场效应晶体管的迁移率和开态电流。该工作通过对复合高k介电层的设计和特性研究，为增强2D半导体器件的散热和电学性能提供了一条有希望的途径。

图2 MoS₂场效应晶体管的温度分布（a、b）和输出特性曲线（c、d）

该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c12143