近日，中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃团队打破了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。相关成果已发表在《自然·通讯》与《科学·进展》。
在半导体器件中，不同材料层之间的界面质量直接决定了整体性能。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”。岛状结构表面崎岖，导致热量在界面传递时阻力极大，形成“热堵点”。“热量散不出去，就会在芯片内部累积，最终导致性能下降甚至器件烧毁。该问题成为制约射频芯片功率提升的最大瓶颈。”西安电子科技大学副校长、教授张进成介绍。
团队合影。西安电子科技大学供图
团队创新性地开发出“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。“就像把随机播种变为按规划均匀播种，最终长出了整齐划一的庄稼。”论文第一作者、西安电子科技大学教授周弘进一步解释，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”。
实验数据显示，新结构的界面热阻仅为传统“岛状”结构的三分之一。该技术解决了从第三代到第四代半导体都面临的共性散热难题，为后续的性能爆发奠定了最关键的基础。
基于这项创新的氮化铝薄膜技术，研究团队制备出的氮化镓微波功率器件，在X波段和Ka波段分别实现了42 和20 瓦每毫米的输出功率密度。这一数据将国际同类器件的性能纪录提升了30%到40%，是近20年来该领域最大的一次突破。
“这意味着，在芯片面积不变的情况下，装备探测距离可以显著增加；对于通信基站而言，则能实现更远的信号覆盖和更低的能耗。”周弘介绍。
对于普通民众，这项技术的红利也将逐步显现。未来，手机在偏远地区的信号接收能力可能更强，续航时间也可能更长。更深远的影响在于，它为推动5G/6G通信、卫星互联网等未来产业的发展，储备了关键的核心器件能力。
这项研究成果的核心价值在于，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。
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