（香港文匯網記者 李陽波 西安報道）在半導體技術日新月異的今天，芯片散熱卻一直是一個世界難題。記者1月17日從西安電子科技大學獲悉，該校郝躍院士張進成教授團隊的最新研究在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》。
平整「島嶼」為芯片散熱帶來質的飛躍
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。而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，會自發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。」據團隊成員、西安電子科技大學教授周弘介紹，這樣的「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燬。這個問題在過去很長一段時間裏一直未能徹底解決，成為制約射頻芯片功率提升的最大瓶頸。
西安電子科技大學郝躍院士張進成教授團隊的突破，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。周弘比喻說，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。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」。
而這一轉變也帶來了質的飛躍，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。
技術紅利惠及普通民眾將逐步顯現
據介紹，隨着難題的解決和工藝的突破，也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。這也意味着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。
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。」周弘表示，其更深遠的影響在於，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。
團隊表示，該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。
為全球半導體技術進步提供新的中國方案
「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。」周弘指出，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。但周弘也強調，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。
西安電子科技大學是以電子與信息學科為特色，工、理、管、文、經等多學科協調發展的全國重點大學，直屬國家教育部。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，這項研究的成功也為全球半導體技術的進步提供了新的中國方案。而隨着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，並加速第四代半導體的實用化進程。
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