西電團隊攻克芯片散熱難題創(chuàng)新技術大幅提升性能

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2026-01-15 08:28:55 中國新聞網(wǎng)

長期以來，半導體面臨一個根本矛盾：下一代材料性能更好，但制造方法卻難以掌握。西安電子科技大學領軍教授周弘用控制火候來比喻這一難題。

郝躍院士張進成教授團隊在這一核心難題上實現(xiàn)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大幅提升。這不僅打破了近二十年的技術停滯，還在前沿科技領域展現(xiàn)出巨大潛力，相關成果已發(fā)表在國際頂級期刊《自然·通訊》與《科學·進展》。

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，關鍵挑戰(zhàn)在于如何高效、可靠地集成這些材料。傳統(tǒng)方法使用氮化鋁作為中間的“粘合層”，但在生長時會形成無數(shù)不規(guī)則且凹凸不平的“島嶼”。這種結構導致熱量在界面?zhèn)鬟f時阻力極大，形成“熱堵點”。熱量散不出去，會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。

研究團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“離子注入誘導成核”技術，將原來隨機、不均勻的生長過程轉變?yōu)榫珳?、可控的均勻生長。這項工藝使氮化鋁層從粗糙的“多晶島狀”結構轉變?yōu)樵优帕懈叨纫?guī)整的“單晶薄膜”。這一轉變大大減少了界面缺陷，使熱可快速通過緩沖/成核層導出。實驗數(shù)據(jù)顯示，新結構的界面熱阻僅為傳統(tǒng)“島狀”結構的三分之一。這項看似基礎的材料工藝革新解決了從第三代到第四代半導體都面臨的共性散熱難題，為后續(xù)的性能爆發(fā)奠定了最關鍵的基礎。

基于這項創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術，研究團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；對于通信基站而言，則能實現(xiàn)更遠的信號覆蓋和更低的能耗。這項技術的紅利也將逐步顯現(xiàn)。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(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)展儲備了關鍵的核心器件能力。

這項研究成果的核心價值在于成功地將氮化鋁從一種特定的“粘合劑”轉變?yōu)橐粋€可適配、可擴展的“通用集成平臺”，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復制的中國范式。研究團隊表示，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(shù)量級，達到現(xiàn)在的十倍甚至更多。這種對材料極限的持續(xù)探索正是半導體技術不斷向前發(fā)展的核心動力。

(責任編輯：zx0176)

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