西電重大突破！改寫半導(dǎo)體散熱百年難題，性能飆升40%

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，有一個困擾科學家近20年的"卡脖子"難題：我們明明知道下一代材料性能會更好，卻始終無法攻克制造工藝的瓶頸。就像知道火候的重要性，卻永遠無法精準掌控。

然而，近日西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授團隊的最新研究，在這一核心難題上實現(xiàn)了歷史性跨越！他們通過將材料間的"島狀"連接轉(zhuǎn)化為原子級平整的"薄膜"，使芯片的散熱效率與綜合性能獲得了飛躍性提升。這不僅打破了近二十年的技術(shù)停滯，更在前沿科技領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，相關(guān)成果已發(fā)表在國際頂級期刊《自然·通訊》與《科學·進展》。

從"凹凸島嶼"到"平整大道"，一場改寫范式的工藝革命

在半導(dǎo)體器件中，不同材料層間的界面質(zhì)量直接決定了整體性能。特別是在以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體和以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體中，如何將它們高效、可靠地集成在一起，一直是行業(yè)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)方法使用氮化鋁作為中間的"粘合層"，但"粘合層"在生長時，會自發(fā)形成無數(shù)不規(guī)則且凹凸不平的"島嶼"。"這就像在凹凸不平的堤壩上修建水渠"，團隊成員周弘解釋道。"‘島狀’結(jié)構(gòu)表面崎嶇，導(dǎo)致熱量在界面?zhèn)鬟f時阻力極大，形成‘熱堵點’。"

熱量散不出去，就會在芯片內(nèi)部累積，最終導(dǎo)致性能下降甚至器件燒毀。這個問題自2014年相關(guān)成核技術(shù)獲得諾貝爾獎以來，一直未能徹底解決，成為制約射頻芯片功率提升的最大瓶頸。

團隊的突破，在于從根本上改變了氮化鋁層的生長模式。他們創(chuàng)新性地開發(fā)出"離子注入誘導(dǎo)成核"技術(shù)，將原來隨機、不均勻的生長過程，轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳省⒖煽氐木鶆蛏L。"就像把隨機播種變?yōu)榘匆?guī)劃均勻播種，最終長出了整齊劃一的莊稼。"周弘如此形容。這項工藝使氮化鋁層從粗糙的"多晶島狀"結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵优帕懈叨纫?guī)整的"單晶薄膜"。

這一轉(zhuǎn)變帶來了質(zhì)的飛躍：平整的單晶薄膜大大減少了界面缺陷，熱可快速通過緩沖/成核層導(dǎo)出。實驗數(shù)據(jù)顯示，新結(jié)構(gòu)的界面熱阻僅為傳統(tǒng)"島狀"結(jié)構(gòu)的三分之一。這項看似基礎(chǔ)的材料工藝革新，恰恰解決了從第三代到第四代半導(dǎo)體都面臨的共性散熱難題，為后續(xù)的性能爆發(fā)奠定了最關(guān)鍵的基礎(chǔ)。

性能躍升40%，從實驗室數(shù)據(jù)到未來應(yīng)用的廣闊前景

工藝的突破直接轉(zhuǎn)化為器件性能的驚人提升。基于這項創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術(shù)，研究團隊制備出的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段分別實現(xiàn)了42 W/mm和20 W/mm的輸出功率密度。這一數(shù)據(jù)將國際同類器件的性能紀錄提升了30%到40%，是近二十年來該領(lǐng)域最大的一次突破。

"這意味著，在芯片面積不變的情況下，裝備探測距離可以顯著增加；對于通信基站而言，則能實現(xiàn)更遠的信號覆蓋和更低的能耗。"周弘說道。

對于普通民眾，這項技術(shù)的紅利也將逐步顯現(xiàn)。雖然當前民用手機等設(shè)備尚不需要如此高的功率密度，但基礎(chǔ)技術(shù)的進步是普惠的。"未來，手機在偏遠地區(qū)的信號接收能力可能更強，續(xù)航時間也可能更長。"更深遠的影響在于，它為推動5G/6G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，儲備了關(guān)鍵的核心器件能力。

未來藍圖，新的研究范式開辟半導(dǎo)體新路徑

這項研究成果的深遠影響，遠不止于幾項破紀錄的數(shù)據(jù)。其核心價值在于，它成功地將氮化鋁從一種特定的"粘合劑"，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€可適配、可擴展的"通用集成平臺"，為解決各類半導(dǎo)體材料高質(zhì)量集成的世界性難題，提供了可復(fù)制的中國范式。

"我們的工作為解決‘如何讓兩種不同材料完美結(jié)合’這一根本問題，提供了一個標準答案。"周弘強調(diào)。

研究團隊的目光已經(jīng)投向更遠處。氮化鋁固然優(yōu)秀，但還有像金剛石這樣導(dǎo)熱性能更強的終極材料。"如果未來能將中間層替換為金剛石，器件的功率處理能力有望再提升一個數(shù)量級，達到現(xiàn)在的十倍甚至更多。"當然，這需要另一個周期的長期攻關(guān)，或許又是一個"以十年計"的科研征程。這種對材料極限的持續(xù)探索，正是半導(dǎo)體技術(shù)不斷向前發(fā)展的核心動力。

從1990年代末郝躍院士團隊開始相關(guān)探索，到如今集大成的突破，這項成果凝聚了二十多年的持續(xù)鉆研。它生動地證明，在芯片這樣的硬科技領(lǐng)域，從理論到落地需要長期專注的基礎(chǔ)研究作為支撐。這項研究的成功不僅標志著我國在半導(dǎo)體前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到并跑、領(lǐng)跑的關(guān)鍵一躍，也為全球半導(dǎo)體技術(shù)的進步提供了新的中國方案。

當我們未來在山區(qū)自駕時，導(dǎo)航信號依然穩(wěn)定；當手機在重要時刻不再因為發(fā)熱而卡頓；當電動汽車的續(xù)航因為更高效的芯片而得到提升——這些看似微小的改變，背后都離不開像這樣在材料層面實現(xiàn)的技術(shù)進步。隨著這項共性技術(shù)的成熟與擴散，它將繼續(xù)鞏固我國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢，并加速第四代半導(dǎo)體的實用化進程，為保障國家信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)安全、搶占未來科技制高點注入強勁的源動力。