打破20年技術僵局，中國首創攻克芯片散熱世界難題香港新聞網1月17日電 據微信公眾號“西安電子科技大學”1月13日消息，近日，中國科學家郝躍院士的張進成教授團隊的最新研究，在涉半導體材料這一核心難題上實現了歷史性跨越——他們通過將材料間的“島狀”連接轉化為原子級平整的“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停滯，更在前沿科技領域展現出巨大潛力，相關成果已發表在國際頂級期刊《自然·通訊》與《科學·進展》。
中國科學家郝躍院士（左四）指導師生實驗。圖自“西安電子科技大學”微信公眾號 從“凹凸島嶼”到“平整大道”，一項改寫範式的工藝革命 長期以來，半導體面臨一個根本矛盾：我們知道下一代材料的性能會更好，卻往往不知道如何將它製造出來。“就像我們都知道怎麼控制火候，但真正把握好卻很難。”西安電子科技大學微電子學院教授周弘這樣比喻。 在半導體器件中，不同材料層間的界面質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體和以氧化鎵為代表的第四代半導體中，一個關鍵挑戰在於如何將它們高效、可靠地集成在一起。傳統方法使用氮化鋁作為中間的“粘合層”，但“粘合層”在生長時，會自髮形成無數不規則且凹凸不平的“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’結構表面崎嶇，導致熱量在界面傳遞時阻力極大，形成‘熱堵點’。” 熱量散不出去，就會在芯片內部累積，最終導致性能下降甚至器件燒毀。這個問題自2014年相關成核技術獲得諾貝爾獎以來，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，在於從根本上改變了氮化鋁層的生長模式。他們創新性地開發出“離子注入誘導成核”技術，將原來隨機、不均勻的生長過程，轉變為精準、可控的均勻生長。“就像把隨機播種變為按規劃均勻播種，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”結構，轉變為原子排列高度規整的“單晶薄膜”。 這一轉變帶來了質的飛躍：平整的單晶薄膜大大減少了界面缺陷，熱可快速通過緩衝/成核層導出。實驗數據顯示，新結構的界面熱阻僅為傳統“島狀”結構的三分之一。這項看似基礎的材料工藝革新，恰恰解決了從第三代到第四代半導體都面臨的共性散熱難題，為後續的性能爆發奠定了最關鍵的基礎。 性能躍升40%，從實驗室數據到未來應用的廣闊前景 工藝的突破直接轉化為器件性能的驚人提升。基於這項創新的氮化鋁薄膜技術，研究團隊製備出的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段分別實現了42 W/mm和20 W/mm的輸出功率密度。這一數據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；對於通信基站而言，則能實現更遠的信號覆蓋和更低的能耗。”周弘說道。 對於普通民眾，這項技術的紅利也將逐步顯現。雖然當前民用手機等設備尚不需要如此高的功率密度，但基礎技術的進步是普惠的。“未來，手機在偏遠地區的信號接收能力可能更強，續航時間也可能更長。”更深遠的影響在於，它為推動5G/6G通信、衛星互聯網等未來產業的發展，儲備了關鍵的核心器件能力。 未來藍圖，新的研究範式開闢半導體新路徑 這項研究成果的深遠影響，遠不止於幾項破紀錄的數據。其核心價值在於，它成功地將氮化鋁從一種特定的“粘合劑”，轉變為一個可適配、可擴展的“通用集成平台”，為解決各類半導體材料高質量集成的世界性難題，提供了可複製的中國範式。 “我們的工作為解決‘如何讓兩種不同材料完美結合’這一根本問題，提供了一個標準答案。”周弘強調。 研究團隊的目光已經投向更遠處。氮化鋁固然優秀，但還有像金剛石這樣導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量級，達到現在的十倍甚至更多。”當然，這需要另一個周期的長期攻關，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探索，正是半導體技術不斷向前發展的核心動力。 從1990年代末郝躍院士團隊開始相關探索，到如今集大成的突破，這項成果凝聚了二十多年的持續鑽研。它生動地證明，在芯片這樣的硬科技領域，從理論到落地需要長期專注的基礎研究作為支撐。這項研究的成功不僅標誌著中國在半導體前沿領域實現了從跟跑到并跑、領跑的關鍵一躍，也為全球半導體技術的進步提供了新的中國方案。 當我們未來在山區自駕時，導航信號依然穩定；當手機在重要時刻不再因為發熱而卡頓；當電動汽車的續航因為更高效的芯片而得到提升——這些看似微小的改變，背後都離不開像這樣在材料層面實現的技術進步。隨著這項共性技術的成熟與擴散，它將繼續鞏固我國在第三代半導體領域的優勢，并加速第四代半導體的實用化進程，為保障國家信息技術產業安全、搶佔未來科技制高點注入強勁的源動力。（完） 【編輯：豐悅】
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