半導體材料技術突破芯片散熱性能飛躍

　　近日，中國科學院院士、西安電子科技大學教授郝躍團隊打破了20年的半導體材料技術瓶頸，讓芯片散熱效率與綜合性能得到了飛躍性提升，為解決各類半導體材料高質量集成提供了可復制的中國范式。相關成果已發表在《自然·通訊》與《科學·進展》。

　　在半導體器件中，不同材料層之間的界面質量直接決定了整體性能。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”。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毀。該問題成為制約射頻芯片功率提升的最大瓶頸。”西安電子科技大學副校長、教授張進成介紹。

　　團隊合影。西安電子科技大學供圖

　　團隊創新性地開發出“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。“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。”論文第一作者、西安電子科技大學教授周弘進一步解釋，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”。

　　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。該技術解決了從第三代到第四代半導體都面臨的共性散熱難題，為后續的性能爆發奠定了最關鍵的基礎。

　　基于這項創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 和20 瓦每毫米的輸出功率密度。這一數據將國際同類器件的性能紀錄提升了30%到40%，是近20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。”周弘介紹。

　　對于普通民眾，這項技術的紅利也將逐步顯現。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。更深遠的影響在于，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。

　　這項研究成果的核心價值在于，它成功地將氮化鋁從一種特定的“粘合劑”，轉變為一個可適配、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。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67248-9

　　https://doi.org/10.1126/sciadv.adw6167