重大突破！我國(guó)攻克半導(dǎo)體材料世界難題

近日，西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授團(tuán)隊(duì)成功攻克了一項(xiàng)困擾全球業(yè)界近二十年的世界性難題，通過原創(chuàng)性技術(shù)將芯片內(nèi)部阻礙散熱的粗糙“島狀”界面轉(zhuǎn)變?yōu)樵蛹?jí)平整的“薄膜”，實(shí)現(xiàn)了芯片散熱效率與綜合性能的飛躍性提升。

這項(xiàng)突破性成果已發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》與《科學(xué)進(jìn)展》，為解決各類半導(dǎo)體材料高質(zhì)量集成問題提供了可復(fù)制的“中國(guó)范式”。

郝躍院士（左四）指導(dǎo)師生實(shí)驗(yàn)。圖片來源：西安電子科技大學(xué)

該突破的核心在于團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的“離子注入誘導(dǎo)成核”技術(shù)。在半導(dǎo)體器件中，不同材料層間的界面質(zhì)量直接決定整體性能。傳統(tǒng)工藝中，作為關(guān)鍵“黏合層”的氮化鋁在生長(zhǎng)時(shí)會(huì)自發(fā)形成凹凸不平的“島嶼”結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重阻礙熱量導(dǎo)出，形成“熱堵點(diǎn)”，成為制約射頻芯片功率提升的最大瓶頸。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用離子注入技術(shù)，將材料生長(zhǎng)過程從隨機(jī)、不均勻轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)可控的均勻生長(zhǎng)，最終使氮化鋁層從“多晶島狀”結(jié)構(gòu)升級(jí)為原子排列規(guī)整的“單晶薄膜”。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)結(jié)構(gòu)的三分之一，從根源上破解了第三代乃至第四代半導(dǎo)體面臨的共性散熱難題。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

此項(xiàng)技術(shù)革新帶來了器件性能的爆發(fā)式增長(zhǎng)。基于該技術(shù)制備的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段的輸出功率密度分別達(dá)到42瓦/毫米和20瓦/毫米，將國(guó)際同類器件性能紀(jì)錄提升了30%至40%，被評(píng)價(jià)為近二十年來該領(lǐng)域最大的一次技術(shù)突破。

這意味著，在芯片面積不變的情況下，應(yīng)用該技術(shù)的雷達(dá)等探測(cè)裝備的探測(cè)距離將顯著增加；用于5G/6G通信基站，則能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的信號(hào)覆蓋與更低的能耗。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

未來，這項(xiàng)技術(shù)的紅利也將惠及普通民眾，例如搭載相關(guān)芯片的手機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的信號(hào)接收能力和續(xù)航時(shí)間都有望得到增強(qiáng)。

值得一提的是，幾乎在同一時(shí)間，由中核集團(tuán)中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主研制的我國(guó)首臺(tái)串列型高能氫離子注入機(jī)成功出束，其核心指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，離子注入機(jī)是芯片制造“四大核心裝備”之一，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。

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