中新社西安1月14日电 (郭楠楠)半导体长期以来面临着一个根本矛盾。我们知道下一代材料的性能会更好，但我们常常不知道如何制造它们。 “我们似乎都知道如何控制热量，但实际上很难很好地理解它，”西安电子科技大学高级教授周宏谈到这个比喻时说。
记者14日获悉，西安电子科技大学张金城教授、大学郝跃院士领导的团队最新研究在这一核心问题上取得了历史性突破。通过用原子级平坦的“薄膜”取代材料之间的“岛”键，芯片的散热效率和整体性能得到了显着提升。这不仅与近20年的技术停滞进行了较量，更显示出在尖端科技领域的巨大潜力。逻辑。相关成果发表在国际领先期刊《自然通讯》和《科学进展》上。
据介绍，在半导体器件中，不同层材料之间界面的质量直接决定了整体性能。特别是以氮化镓为代表的第三代半导体和以氧化镓为代表的第四代半导体，如何高效、可靠地集成成为一个重要问题。常规施工方法采用氮化铝作为中间“粘合层”，但随着“粘合层”的生长，自然形成无数不规则、凹凸不平的“岛屿”。 “这就像在陡峭的堤坝上修建运河一样。”周洪说。 “‘岛’结构表面不规则，在界面处形成较大的传热阻力，形成‘热断点’。如果热量无法散发，就会积聚在芯片内部，最终形成‘热断点’。”这个问题自2014年相关成核技术获得诺贝尔奖以来一直没有得到完全解决，已经成为限制高频芯片功率输出的最大瓶颈。
研究小组的突破在于从根本上改变了氮化铝层的生长模式。他们采用“离子注入诱导成核”，将原来随机、不均匀的生长过程转变为精确、可控、均匀的生长。 “该技术是以创新方式开发的。 “这就像是从随机播种到按照计划均匀播种，最终产出统一的作物。”周红解释道。这一过程将氮化铝层从粗糙的“多晶岛”结构转变为具有非常规则的原子排列的“单晶薄膜”。
这种变化代表着质的飞跃。单晶薄膜的平坦化显着减少界面缺陷并允许热量通过缓冲/成核层快速释放。实验数据表明，新结构的界面热阻仅为传统“岛”形结构的三分之一。这种看似基础的材料和工艺创新，精准地解决了第三代、第四代半导体面临的常见散热问题，为后续性能的进步奠定了最重要的基础。
基于这种创新薄膜技术氮化铝，研究团队制备了氮化镓微波功率器件，在X和Ka频段分别实现了42 W/mm和20 W/mm的功率密度。这一数据将国际同类设备的性能记录提高了30%至40%。这是过去20年来该领域最大的进步。
这意味着在不改变芯片侧产品的情况下，可以显着延长设备的感应距离。 F或通信基站，它可以增加信号范围并降低功耗。周宏说道。
对于普通大众来说，这项技术的好处将逐渐显现出来。尽管当今的移动电话和其他消费设备不需要非常高的功率密度，但基础技术的进步是双赢的。未来，手机可能会提高偏远地区的信号接收能力以及更长的电池寿命。更广泛的影响是，保留核心器件的关键功能，以促进5G/6G通信、卫星互联网等未来产业发展。
这项研究成果的深远影响远远超出了记录数据。其根本价值在于成功将氮化铝从特定的“粘合剂”转变为适应性强、可扩展、可复制的“通用集成平台”，解决各种半导体器件高质量集成的全球性难题。导体材料，为中华民族有能力提供范例。
“我们的研究为如何完美结合两种不同材料的基本问题提供了标准答案，”周宏说。
研究小组进一步进行了研究。 “如果未来内层介质可能被金刚石取代，器件的功率处理能力有望进一步提升一个数量级，达到目前水平的10倍以上。”周宏表示，对这一材料极限的持续探索是半导体技术不断发展的核心驱动力。
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