博文
中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-051）——硅基器件中热电子增强非平衡热电效应的直接观测
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1 工作简介
——硅基器件中热电子增强非平衡热电效应的直接观测
复旦大学安正华课题组和中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究组、中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东院士课题组等研究单位合作，成功在主流半导体硅微纳器件中验证了理论预言的非平衡热电效应，为后摩尔硅基器件的主动式制冷热管理提供了重要思路。这一研究成果以“Direct observation of hot-electron-enhanced thermoelectric effects in silicon nanodevices”为题，于2023年06月22日发表在Nature Communications杂志上。随着硅基芯片集成度的不断突破，集成电路的功耗密度呈指数式上升，导致芯片工作时产生的热负荷超越了硅基材料热导的被动散热能力，进而引发了芯片严重的热失效问题。在这一背景下，硅基芯片的底层热管理和芯片冷却技术成为国际学术界和产业界的焦点。热电制冷技术作为一种固态主动冷却方式，具有无外部机械部件、无噪音、小体积、易集成和制冷响应迅速等优点，有望突破被动散热的效率上限。尤其是通过珀尔贴（Peltier）效应，在微纳尺度下对局域热斑进行有效制冷，显著降低热聚集和热失效的风险，对微观热管理技术具有关键作用。然而，传统的珀尔贴热电效应依赖于不同材料的塞贝克系数差异，难以在微纳米尺度下的单一硅材料沟道中实现，成为硅基单一材料沟道中热斑主动式制冷的关键挑战之一。需要特别关注的是，由于硅基纳米器件中电流密度极高，导致电子处于非平衡状态，即电子温度Te远高于晶格温度TL。在这种极端条件下，基于准热平衡条件建立的热电理论不再适用，迫切需要新的热电理论以适用于远离热平衡状态的后摩尔纳米器件。近期，复旦大学安正华课题组与中国科学院上海技术物理研究所等研究单位合作，在硅纳米沟道器件中进行了电子温度和晶格温度的直接实验测温成像。研究发现，在电流通过纳米沟道时，由于current crowding效应产生了显著的局域电子热斑，其等效电子温度Te约为1500 K，远高于对应的局部晶格温度TL约为320 K。在电子热斑边缘，由于极大的电子温度梯度（约1 K/nm），实验观测到明显的热电致冷/加热效应。通过定量研究，发现所观察到的热电效应强度对电流呈现三次方依赖性，与理论预测的非平衡热电效应一致，从而首次在实验上确认了非平衡热电效应的存在。
2 作者简介
第一作者
薛环一，博士。
2011-2015年本科就读于吉林大学；2016-2019年硕士就读于上海交通大学，师从贾金锋院士，研究方向为二维拓扑薄膜/异质结的扫描隧道显微镜研究；2019-2023年博士就读于复旦大学，师从安正华研究员，主攻方向为微纳尺度下新奇物理效应的纳米热学表征。2023-至今 西湖大学光电研究院 助理研究员，研究方向包括：低温扫描热显微镜的研发、光-热-电相关效应的纳米热学表征等。相关成果发表在《Nature Communications》、《ACS Nano》、《Advanced Materials》等期刊。
通讯作者
安正华，男，博士生导师，复旦大学物理系研究员。
研究方向为微纳器件中的超分辨热成像和非平衡动力学研究。1999年毕业于南京大学并获理学学士学位，2004年毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所获微电子学与固态电子学工学博士学位，2004-2007年在东京大学任JST特别研究员，2007.6进入复旦大学。在《Science》、《Nature Communications》《Science Advances》等国际学术期刊发表论文160余篇，引用超过2000余次。曾获2018年度中国光学十大进展和2021年度中国半导体十大进展提名等奖项。
通讯作者
陆卫, 男，博士生导师，中国科学院上海技术物理所研究员，上海科技大学物质学院执行院长，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者（1995年），J. App. Phys.副主编。
作为第一完成人获得国家自然科学二等奖1项，国家技术发明二等奖1 项，代表性成果”III-V族半导体量子结构中量子态光电功能调控” 入选国家“十二五”科技创新成就展。在《Science》、《Nature Communications》《Physical Review Letters》等国际学术期刊发表论文220余篇，他引超过4000余次，出版专著3部；授权发明专利100余项，获中国专利优秀奖1项。
3 原文传递
详情请点击论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39489-z
https://blog.sciencenet.cn/blog-3406013-1416767.html
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