中新網西安1月14日電 (阿琳娜 郭楠楠)長期以來，半導體面臨一個根本矛盾：我們知道下一代材料的性能會更好，卻往往不知道如何將它制造出來?！熬拖裎覀兌贾涝趺纯刂苹鸷?，但真正把握好卻很難。”西安電子科技大學領軍教授周弘這樣比喻。

　　記者14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——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(fā)表在國際頂級期刊《自然·通訊》與《科學·進展》。

　　據介紹，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(zhàn)在于如何將它們高效、可靠地集成在一起。傳統(tǒng)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(fā)形成無數不規(guī)則且凹凸不平的“島嶼”?！斑@就像在凹凸不平的堤壩上修建水渠?！敝芎虢忉尩?，“‘島狀’結構表面崎嶇，導致熱量在界面?zhèn)鬟f時阻力極大，形成‘熱堵點’?！睙崃可⒉怀鋈?，就會在芯片內部累積，最終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。

　　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?！熬拖癜央S機播種變?yōu)榘匆?guī)劃均勻播種，最終長出了整齊劃一的莊稼?！敝芎肴绱诵稳?。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，熱可快速通過緩沖/成核層導出。實驗數據顯示，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，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，則能實現更遠的信號覆蓋和更低的能耗?！敝芎胝f道。

　　對于普通民眾，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(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)星互聯網等未來產業(yè)的發(fā)展，儲備了關鍵的核心器件能力。

　　這項研究成果的深遠影響，遠不止于幾項破紀錄的數據。其核心價值在于，它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。

　　“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。”周弘強調。

　　研究團隊的目光已經投向更遠處?！叭绻磥砟軐⒅虚g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?！敝芎氡硎?，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。(完)