中新網(wǎng)西安1月14日電 (阿琳娜 郭楠楠)長期以來，半導(dǎo)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制造出來?！熬拖裎覀兌贾涝趺纯刂苹鸷颍嬲盐蘸脜s很難?！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)領(lǐng)軍教授周弘這樣比喻。

　　記者14日從西安電子科技大學(xué)獲悉，該校郝躍院士張進(jìn)成教授團(tuán)隊的最新研究在這一核心難題上實現(xiàn)了歷史性跨越——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(xué)·進(jìn)展》。

　　據(jù)介紹，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?！敝芎虢忉尩溃啊畭u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’?！睙崃可⒉怀鋈?，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(tuán)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(jī)、不均勻的生長過程，轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)、可控的均勻生長?！熬拖癜央S機(jī)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)。

　　基于這項創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術(shù)，研究團(tuán)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(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，裝備探測距離可以顯著增加；對于通信基站而言，則能實現(xiàn)更遠(yuǎn)的信號覆蓋和更低的能耗?！敝芎胝f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(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)的信號接收能力可能更強，續(xù)航時間也可能更長。更深遠(yuǎn)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。

　　這項研究成果的深遠(yuǎn)影響，遠(yuǎn)不止于幾項破紀(jì)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)答案?！敝芎霃娬{(diào)。

　　研究團(tuán)隊的目光已經(jīng)投向更遠(yuǎn)處?！叭绻磥砟軐⒅虚g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(dá)到現(xiàn)在的十倍甚至更多。”周弘表示，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。(完)