中新網(wǎng)西安1月14日電 (阿琳娜 郭楠楠)長(zhǎng)期以來(lái)，半導(dǎo)體面臨一個(gè)根本矛盾：我們知道下一代材料的性能會(huì)更好，卻往往不知道如何將它制造出來(lái)。“就像我們都知道怎么控制火候，但真正把握好卻很難?！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)領(lǐng)軍教授周弘這樣比喻。
記者14日從西安電子科技大學(xué)獲悉，該校郝躍院士張進(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——通過(guò)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(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》與《科學(xué)·進(jìn)展》。
據(jù)介紹，在半導(dǎo)體器件中，不同材料層間的界面質(zhì)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(dǎo)體和以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體中，一個(gè)關(guān)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(zhǎng)時(shí)，會(huì)自發(fā)形成無(wú)數(shù)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?！敝芎虢忉尩溃啊畭u狀’結(jié)構(gòu)表面崎嶇，導(dǎo)致熱量在界面?zhèn)鬟f時(shí)阻力極大，形成‘熱堵點(diǎn)’?！睙崃可⒉怀鋈ィ蜁?huì)在芯片內(nèi)部累積，最終導(dǎo)致性能下降甚至器件燒毀。這個(gè)問(wèn)題自2014年相關(guān)成核技術(shù)獲得諾貝爾獎(jiǎng)以來(lái)，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(tuán)隊(duì)的突破在于從根本上改變了氮化鋁層的生長(zhǎng)模式。他們創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)出“離子注入誘導(dǎo)成核”技術(shù)，將原來(lái)隨機(jī)、不均勻的生長(zhǎng)過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)、可控的均勻生長(zhǎng)?！熬拖癜央S機(jī)播種變?yōu)榘匆?guī)劃均勻播種，最終長(zhǎng)出了整齊劃一的莊稼?！敝芎肴绱诵稳?。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”。
這一轉(zhuǎn)變帶來(lái)了質(zhì)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(guò)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(guó)際同類器件的性能紀(jì)錄提升了30%到40%，是近二十年來(lái)該領(lǐng)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(cè)距離可以顯著增加；對(duì)于通信基站而言，則能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的信號(hào)覆蓋和更低的能耗。”周弘說(shuō)道。
對(duì)于普通民眾，這項(xiàng)技術(shù)的紅利也將逐步顯現(xiàn)。雖然當(dāng)前民用手機(jī)等設(shè)備尚不需要如此高的功率密度，但基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步是普惠的。未來(lái)，手機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的信號(hào)接收能力可能更強(qiáng)，續(xù)航時(shí)間也可能更長(zhǎng)。更深遠(yuǎn)的影響在于，它為推動(dòng)5G/6G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等未來(lái)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，儲(chǔ)備了關(guān)鍵的核心器件能力。
這項(xiàng)研究成果的深遠(yuǎn)影響，遠(yuǎn)不止于幾項(xiàng)破紀(jì)錄的數(shù)據(jù)。其核心價(jià)值在于，它成功地將氮化鋁從一種特定的“粘合劑”，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)可適配、可擴(kuò)展的“通用集成平臺(tái)”，為解決各類半導(dǎo)體材料高質(zhì)量集成的世界性難題，提供了可復(fù)制的中國(guó)范式。
“我們的工作為解決‘如何讓兩種不同材料完美結(jié)合’這一根本問(wèn)題，提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)答案。”周弘強(qiáng)調(diào)。
研究團(tuán)隊(duì)的目光已經(jīng)投向更遠(yuǎn)處?！叭绻磥?lái)能將中間層替換為金剛石，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?！敝芎氡硎荆@種對(duì)材料極限的持續(xù)探索，正是半導(dǎo)體技術(shù)不斷向前發(fā)展的核心動(dòng)力。(完)