西电团队攻克芯片散热世界难题

近日，西安电子科技大学郝跃院士团队打破了20年的半导体材料技术瓶颈，让芯片散热效率与综合性能得到了飞跃性提升，为解决各类半导体材料高质量集成提供了可复制的中国范式。相关成果日前发表在国际顶级期刊《自然·通讯》和《科学·进展》上。

在半导体器件中，不同材料层间的界面质量直接决定了整体性能。特别是在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，一个关键挑战在于如何将它们高效、可靠地集成在一起。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，会自发形成无数不规则且凹凸不平的“岛屿”。

西安电子科技大学副校长、教授张进成表示，“在我们科研突破之前，这类芯片晶体的成核层都是凹凸不平的，这样崎岖的表面不利于芯片散热，甚至造成散热时的热量‘堵塞’。热量散不出去，就会囤积在芯片内部，最终导致性能下降甚至器件烧毁。”

团队的突破在于从根本上改变了氮化铝层的生长模式。他们创新性地开发出“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。这项工艺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”。这一突破将半导体的热阻降低至原来的三分之一，解决了第三代乃至未来半导体芯片面临的共性散热难题。

同时，该项突破让半导体器件性能大幅提升。基于这项创新技术，研究团队制备出的氮化镓微波功率器件，单位面积功率较目前市面上最先进的同类型器件性能提升了30%到40%。“这意味着将其使用在探测装备上，探测距离可以显著增加；将其使用在通信基站时，则能实现更远的信号覆盖和更低的能耗。”团队成员、西安电子科技大学微电子学院教授周弘说。

这项研究成果的深远影响，远不止于几项破纪录的数据。其核心价值在于，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。“我们的工作为解决‘如何让两种不同材料完美结合’这一根本问题，提供了一个标准答案。”周弘强调。

对于普通民众，这项技术的红利也将逐步显现。“未来给手机用上这类芯片后，在偏远地区的信号接收能力会更强，续航时间也可能更长。”

展望未来，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。如果未来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，达到现在的十倍甚至更多。