中國首創(chuàng)！攻克涉半導(dǎo)體世界難題

微信公眾號(hào)“西安電子科技大學(xué)”1月13日消息，長(zhǎng)期以來，半導(dǎo)體面臨一個(gè)根本矛盾：我們知道下一代材料的性能會(huì)更好，卻往往不知道如何將它制造出來。“就像我們都知道怎么控制火候，但真正把握好卻很難。”周弘這樣比喻。

近日，郝躍院士張進(jìn)成教授團(tuán)隊(duì)的最新研究在這一核心難題上實(shí)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(jí)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(jí)期刊《自然·通訊》與《科學(xué)·進(jìn)展》。

從“凹凸島嶼”到“平整大道”，一項(xiàng)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，一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何將它們高效、可靠地集成在一起。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(zhǎng)時(shí)，會(huì)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”，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(shí)阻力極大，形成‘熱堵點(diǎn)’。” 熱量散不出去，就會(huì)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(gè)問題自2014年相關(guān)成核技術(shù)獲得諾貝爾獎(jiǎng)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。

郝躍院士（左四）指導(dǎo)師生實(shí)驗(yàn)

團(tuán)隊(duì)的突破，在于從根本上改變了氮化鋁層的生長(zhǎng)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(jī)、不均勻的生長(zhǎng)過程，轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)、可控的均勻生長(zhǎng)。“就像把隨機(jī)播種變?yōu)榘匆?guī)劃均勻播種，最終長(zhǎng)出了整齊劃一的莊稼。”周弘如此形容。這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)制備出的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段分別實(shí)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(jì)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(cè)距離可以顯著增加；對(duì)于通信基站而言，則能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的信號(hào)覆蓋和更低的能耗。”周弘說道。

對(duì)于普通民眾，這項(xiàng)技術(shù)的紅利也將逐步顯現(xiàn)。雖然當(dāng)前民用手機(jī)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(jìn)步是普惠的。“未來，手機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的信號(hào)接收能力可能更強(qiáng)，續(xù)航時(shí)間也可能更長(zhǎng)。”更深遠(yuǎn)的影響在于，它為推動(dòng)5G/6G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，儲(chǔ)備了關(guān)鍵的核心器件能力。

未來藍(lán)圖，新的研究范式開辟半導(dǎo)體新路徑

這項(xiàng)研究成果的深遠(yuǎn)影響，遠(yuǎn)不止于幾項(xiàng)破紀(jì)錄的數(shù)據(jù)。其核心價(jià)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€(gè)可適配、可擴(kuò)展的“通用集成平臺(tái)”，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(gè)標(biāo)準(zhǔn)答案。”周弘強(qiáng)調(diào)。

研究團(tuán)隊(duì)的目光已經(jīng)投向更遠(yuǎn)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(qiáng)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(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到現(xiàn)在的十倍甚至更多。”當(dāng)然，這需要另一個(gè)周期的長(zhǎng)期攻關(guān)，或許又是一個(gè)“以十年計(jì)”的科研征程。這種對(duì)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(dòng)力。

從1990年代末郝躍院士團(tuán)隊(duì)開始相關(guān)探索，到如今集大成的突破，這項(xiàng)成果凝聚了二十多年的持續(xù)鉆研。它生動(dòng)地證明，在芯片這樣的硬科技領(lǐng)域，從理論到落地需要長(zhǎng)期專注的基礎(chǔ)研究作為支撐。這項(xiàng)研究的成功不僅標(biāo)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(jìn)步提供了新的中國方案。

當(dāng)我們未來在山區(qū)自駕時(shí)，導(dǎo)航信號(hào)依然穩(wěn)定；當(dāng)手機(jī)在重要時(shí)刻不再因?yàn)榘l(fā)熱而卡頓；當(dāng)電動(dòng)汽車的續(xù)航因?yàn)楦咝У男酒玫教嵘@些看似微小的改變，背后都離不開像這樣在材料層面實(shí)現(xiàn)的技術(shù)進(jìn)步。隨著這項(xiàng)共性技術(shù)的成熟與擴(kuò)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(shì)，并加速第四代半導(dǎo)體的實(shí)用化進(jìn)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(diǎn)注入強(qiáng)勁的源動(dòng)力。