打破20年技术僵局！西电团队攻克芯片散热世界难题

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（来源：第三代半导体产业）

近日，西安电子科技大学郝跃院士张进成教授团队的最新研究在这一核心难题上实现了历史性跨越——他们通过将材料间的“岛状”连接转化为原子级平整的“薄膜”，使芯片的散热效率与综合性能获得了飞跃性提升。这不仅打破了近二十年的技术停滞，更在前沿科技领域展现出巨大潜力，相关成果已发表在国际顶级期刊《自然·通讯》与《科学·进展》。

该论文入选Science Advances封面论文之一

西安电子科技大学副校长、教授张进成介绍：“目前市面上最常见的射频半导体芯片是第三代氮化镓半导体芯片，而该类芯片散热主要由芯片晶体的成核层决定。在我们科研突破之前，这类芯片晶体的成核层都是凹凸不平的，这样崎岖的表面不利于芯片散热，甚至造成散热时的热量‘堵塞’。热量散不出去，就会囤积在芯片内部，最终导致性能下降甚至器件烧毁。”这个问题自2014年相关成核技术获得诺贝尔奖以来，一直未能彻底解决，成为制约射频芯片功率提升的最大瓶颈。

团队的突破，在于从根本上改变了氮化铝层的生长模式。此次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。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”。

平整的单晶薄膜大大减少了界面缺陷，热可快速通过缓冲/成核层导出。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。这项看似基础的材料工艺革新，恰恰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 W/mm和20 W/mm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%，是近二十年来该领域最大的一次突破。

团队成员、西安电子科技大学微电子学院教授周弘称，这意味着将其使用在探测装备上，探测距离可以显着增加；将其使用在通信基站时，则能实现更远的信号覆盖和更低的能耗。对于普通民众，未来给手机用上这类芯片后，在偏远地区的信号接收能力会更强，续航时间也可能更长。

周弘还透露，团队正在研究将金刚石这类散热性能更强的材料用于半导体上。假如成功攻关，半导体器件的功率处理能力有望再提升一个数量级，达到现在的十倍甚至更多。

DOI: 10.1126/sciadv.adw6167