近日，郝躍院士張進(jìn)成教授團(tuán)隊(duì)的最新研究在這一核心難題上實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越——他們通過將材料間的“島狀”連接轉(zhuǎn)化為原子級(jí)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(jí)期刊《自然·通訊》與《科學(xué)·進(jìn)展》。

西安電子科技大學(xué)副校長、教授張進(jìn)成介紹：“目前市面上最常見的射頻半導(dǎo)體芯片是第三代氮化鎵半導(dǎo)體芯片，而該類芯片散熱主要由芯片晶體的成核層決定。在我們科研突破之前，這類芯片晶體的成核層都是凹凸不平的，這樣崎嶇的表面不利于芯片散熱，甚至造成散熱時(shí)的熱量‘堵塞’。熱量散不出去，就會(huì)囤積在芯片內(nèi)部，最終導(dǎo)致性能下降甚至器件燒毀。”

團(tuán)隊(duì)的突破，在于從根本上改變了氮化鋁層的生長模式。此次團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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”。

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(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(xiàng)創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)制備出的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段分別實(shí)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。

團(tuán)隊(duì)成員、西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院教授周弘稱，這意味著將其使用在探測裝備上，探測距離可以顯著增加；將其使用在通信基站時(shí)，則能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的信號(hào)覆蓋和更低的能耗。對(duì)于普通民眾，未來給手機(jī)用上這類芯片后，在偏遠(yuǎn)地區(qū)的信號(hào)接收能力會(huì)更強(qiáng)，續(xù)航時(shí)間也可能更長。

周弘還透露，團(tuán)隊(duì)正在研究將金剛石這類散熱性能更強(qiáng)的材料用于半導(dǎo)體上。假如成功攻關(guān)，半導(dǎo)體器件的功率處理能力有望再提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到現(xiàn)在的十倍甚至更多。