長期以來，半導(dǎo)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(xué)領(lǐng)軍教授周弘用控制火候的比喻形象地描述了這一挑戰(zhàn)。

西安電子科技大學(xué)郝躍院士張進(jìn)成教授團(tuán)隊在這一難題上實現(xiàn)了重大突破。他們通過將材料間的“島狀”連接轉(zhuǎn)化為原子級平整的“薄膜”，使芯片散熱效率與綜合性能大幅提升。這項成果打破了近二十年的技術(shù)停滯，在前沿科技領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，并已發(fā)表在國際頂級期刊《自然·通訊》與《科學(xué)·進(jìn)展》上。

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，如何高效、可靠地集成這些材料成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法使用氮化鋁作為中間的“粘合層”，但生長過程中會形成無數(shù)不規(guī)則且凹凸不平的“島嶼”。這導(dǎo)致熱量傳遞時阻力極大，形成“熱堵點”，最終影響芯片性能甚至導(dǎo)致器件燒毀。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。

研究團(tuán)隊創(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。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。

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(qiáng)，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。

這項研究成果的核心價值在于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。研究團(tuán)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(dá)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(dǎo)體技術(shù)不斷向前發(fā)展的核心動力。