【论文分享】六方氮化硼用于电子和光子芯片中的纳米尺度散热

        随着电子和光子芯片对更高计算能力和更大集成密度的需求不断增长，散热问题已成为制约芯片进一步小型化的关键瓶颈。芯片中的热失效通常起源于亚微米尺度的局部“热点”区域，而纳米尺度下组件热导率的降低进一步限制了器件在高功率密度下的运行能力。因此，能够在优先方向上实现高效热扩散的各向异性热扩散材料被视为缓解热击穿的重要途径。二维材料凭借其机械柔性和强热各向异性，成为具有吸引力的热扩散候选材料。

    六方氮化硼（hBN）因其高达约400 W m⁻¹ K⁻¹的面内热导率、优异的电绝缘性以及宽带光学透明性而受到广泛关注。已有研究表明，hBN薄膜可通过对大面积电子和光子器件的全局冷却来增强散热，但关于hBN热扩散材料对局部热点冷却效率的量化评估此前尚属空白，主要原因在于缺乏局部测温手段来直接评估hBN的冷却效果。

        针对上述问题，荷兰埃因霍温理工大学Klaas-Jan Tielrooij团队以金纳米带（电子芯片互连的代表性构建单元）和六方SiGe纳米线（光子芯片光源的代表性构建单元）为模型体系，通过实验展示了hBN薄片及其异质结构对纳米尺度热点的增强散热效果。该工作采用干法转移技术确保材料界面处于原始状态，并利用纳米结构本身的电阻温度响应和光致发光信号作为局部温度探针，从而实现了对hBN热扩散效果的定量评估。

        研究团队以电子束光刻制备的金纳米带（长5 μm、宽约30 nm、厚30 nm）作为“模型系统”，评估了hBN薄片及hBN/石墨烯/hBN堆叠异质结构的冷却能力。所有hBN样品均通过机械剥离和“热拾取”干法转移技术制备，厚度统一选取约15 nm，以确保界面无聚合物残留。实验对比了三种样品类型：裸露金纳米带（E1型）、覆盖hBN的金纳米带（E2型）以及覆盖hBN/石墨烯/hBN堆叠的金纳米带（E3型）。

       通过采集电流-电压（I–V）特性曲线记录电击穿行为，实验发现，覆盖hBN后金纳米带的击穿电流密度从裸露情况下的0.13 A μm⁻²提升至0.16 A μm⁻²；而覆盖hBN/石墨烯/hBN堆叠后，击穿电流密度进一步提高至0.17 ± 0.02 A μm⁻²，增幅约为30%。同时，温度上升速率显著降低：裸露纳米带的温升速率为18.4 K μm³ W⁻¹，而覆盖hBN后降至约11.2 K μm³ W⁻¹，降幅约40%。

        通过有限元数值模拟对热流路径进行分析，结果显示，在E1型样品中，金纳米带产生的热量主要通过衬底耗散；在E2型中，热量同时经hBN和衬底耗散；在E3型中，热量则通过hBN/石墨烯/hBN和衬底共同耗散。模拟所得温升速率与实验数据一致。

图 1. 裸露金纳米带（E1型）、覆盖hBN的金纳米带（E2型）以及覆盖hBN/石墨烯/hBN堆叠的金纳米带（E3型）三种样品在电流扫描下的电学响应。

为明确hBN热扩散材料最适合冷却的热点尺寸范围，团队对不同尺寸结构进行了数值模拟。结果表明，对于固定高度30 nm的结构，hBN在热点宽度为80 nm时冷却效果最为显著；当宽度和高度同时变化时，最大冷却效果出现在宽度/高度约为40 nm的区域。这些结果表明，hBN特别适合冷却亚微米尺度区域的局部热量，而在冷却更大尺寸组件时效果有限，这与hBN主要依赖面内方向热扩散的机制一致。

图2. 有限元方法模拟的hBN热扩散材料对不同尺寸热点的冷却效果。对于固定高度30 nm的金属结构，hBN在热点宽度约为80 nm时冷却效果最为显著；当宽度和高度同时变化时，最优冷却区域出现在宽度/高度约为40 nm附近。

在光子芯片组件方面，团队选取六方SiGe纳米线作为测试对象。六方SiGe合金作为硅基集成光子学中具有前景的直接带隙发光材料，其纳米线侧表面在纳米尺度上较为粗糙，导致与衬底之间的有效接触面积小、界面热阻大，在强光激发下面临严重的过热问题，光增益迅速下降。

      实验采用hBN薄片覆盖六方SiGe纳米线，通过光致发光光谱监测载流子温度。结果表明，hBN覆盖后纳米线在光激发下的工作温度最高可降低约500 K。这一显著的降温效果归因于hBN薄片贴合纳米线表面后改善了热边界导。由于石墨烯的宽带光吸收特性，该部分实验仅采用纯hBN作为热扩散材料。

图3. 对比了裸露六方SiGe纳米线和hBN覆盖后六方SiGe纳米线在不同激发光功率密度下的光致发光（PL）光谱及由此提取的载流子温度。

        该工作通过系统的实验和数值模拟，展示了六方氮化硼在电子和光子芯片中用于纳米尺度局部热点散热的有效性。使用hBN薄片或hBN/石墨烯/hBN异质结构覆盖金纳米带，可将温度上升速率降低约40%，并将击穿电流密度提高约30%，其散热机制主要源于hBN的高面内热导率促进的热扩散。在六方SiGe纳米线光子组件中，hBN覆盖使工作温度降低高达500 K，体现了其在改善界面热边界导方面的优势。

        模拟结果进一步表明，hBN对亚微米尺度热点的冷却效果最为显著，这为在微型化电子和光子器件中实施针对性热管理提供了定量依据。该研究建立的局部测温与hBN热扩散相结合的方法学，为评估和优化纳米尺度散热方案提供了可参考的实验范式。

        从应用前景来看，hBN在兼具高面内热导率、电绝缘性和光学透明性的同时，可通过干法转移实现与其他二维材料的范德华异质集成，这使其在下一代高密度集成芯片的热管理中具有进一步拓展的潜力。后续研究可在更大面积hBN的规模化转移、hBN与不同半导体材料界面的热边界导优化，以及在实际器件工作条件下验证长期散热稳定性等方面深入展开。