西电团队攻克芯片散热世界难题

　　本报讯(郭楠楠 中青报·中青网记者 孙海华)记者从西安电子科技大学(以下简称“西电”)获悉，近日，该校郝跃院士张进成教授团队的一项最新研究实现历史性跨越——通过将材料间的“岛状”连接转化为原子级平整的“薄膜”，使芯片的散热效率与综合性能获得飞跃性提升，打破了相关研究领域近20年的技术停滞。相关成果已发表在国际顶级期刊《自然·通讯》与《科学·进展》。

　　半导体器件，例如以氮化镓为代表的第三代半导体和以氧化镓为代表的第四代半导体中，不同材料层间的界面质量直接决定了整体性能，因此将它们高效、可靠地集成在一起十分重要。传统方法使用氮化铝作为中间的“粘合层”，但“粘合层”在生长时，会形成无数不规则且凹凸不平的“岛屿”。团队成员、西电教授周弘解释：“‘岛状’结构表面崎岖，导致热量在界面传递时阻力极大，形成‘热堵点’。热量散不出去，就会在芯片内部累积，最终导致性能下降甚至器件烧毁。”

　　这个问题，在很长时期内未能彻底解决，成为制约射频芯片功率提升的最大瓶颈。

　　团队的突破，在于从根本上改变了氮化铝层的生长模式，使氮化铝层从粗糙的“多晶岛状”结构，转变为原子排列高度规整的“单晶薄膜”。他们开发出的“离子注入诱导成核”技术，将原来随机、不均匀的生长过程，转变为精准、可控的均匀生长。“就像把随机播种变为按规划均匀播种，最终长出了整齐划一的庄稼。”周弘说。

　　这一转变带来了质的飞跃：平整的单晶薄膜大大减少了界面缺陷，热可快速通过缓冲/成核层导出。实验数据显示，新结构的界面热阻仅为传统“岛状”结构的三分之一。这项看似基础的材料工艺革新，解决了从第三代到第四代半导体都面临的共性散热难题。

　　基于这项创新的氮化铝薄膜技术，研究团队制备出的氮化镓微波功率器件，在X波段和Ka波段分别实现了42W/mm和20W/mm的输出功率密度。这一数据将国际同类器件的性能纪录提升了30%至40%，是近20年来该领域最大的一次突破。

　　这意味着，在芯片面积不变的情况下，装备探测距离可以显著增加;对于通信基站而言，则能实现更远的信号覆盖和更低的能耗。

　　对于普通民众，这项技术的红利也将逐步显现。“未来，手机在偏远地区的信号接收能力可能更强，续航时间也可能更长。”周弘表示，更深远的影响在于它为推动5G/6G通信、卫星互联网等未来产业的发展，储备了关键的核心器件能力。

　　除了破纪录的数据，这一成果的核心价值还在于，它成功地将氮化铝从一种特定的“粘合剂”，转变为一个可适配、可扩展的“通用集成平台”，为解决各类半导体材料高质量集成的世界性难题，提供了可复制的中国范式。

　　团队并未止步于现有突破。氮化铝固然优秀，但还有像金刚石这样导热性能更强的终极材料。“如果能将中间层替换为金刚石，器件的功率处理能力有望再提升一个数量级，达到现在的10倍甚至更多。”周弘说，这可能需要另一个“以十年计”的科研征程，“这种对材料极限的持续探索，正是半导体技术不断向前发展的核心动力”。