中国首创！攻克涉半导体世界难题

微信公众号“西安电子科技大学”1月13日消息，长期以来，半导体面临一个根本矛盾：我们知道下一代材料的性能会更好，却往往不知道如何将它制造出来。“就像我们都知道怎么控制火候，但真正把握好却很难。”周弘这样比喻。

近日，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》。

从“凹凸岛屿”到“平整大道”，一项改写范式的工艺革命

在半导体器件中，不同材料层间的界面质量直接决定了整体性能。特别是在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中，一个关键挑战在于如何将它们高效、可靠地集成在一起。传统方法使用氮化铝作为中间的“粘合层”，但“粘合层”在生长时，会自发形成无数不规则且凹凸不平的“岛屿”。

“这就像在凹凸不平的堤坝上修建水渠”，周弘解释道。“‘岛状’结构表面崎岖，导致热量在界面传递时阻力极大，形成‘热堵点’。” 热量散不出去，就会在芯片内部累积，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。

郝跃院士（左四）指导师生实验

团队的突破，在于从根本上改变了氮化铝层的生长模式。他们创新性地开发出“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。“就像把随机播种变为按规划均匀播种，最终长出了整齐划一的庄稼。”周弘如此形容。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”。

这一转变带来了质的飞跃：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。

性能跃升40%，从实验室数据到未来应用的广阔前景

工艺的突破直接转化为器件性能的惊人提升。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。

“这意味着，在芯片面积不变的情况下，装备探测距离可以显著增加；对于通信基站而言，则能实现更远的信号覆盖和更低的能耗。”周弘说道。

对于普通民众，这项技术的红利也将逐步显现。虽然当前民用手机等设备尚不需要如此高的功率密度，但基础技术的进步是普惠的。“未来，手机在偏远地区的信号接收能力可能更强，续航时间也可能更长。”更深远的影响在于，它为推动5G/6G通信、卫星互联网等未来产业的发展，储备了关键的核心器件能力。

未来蓝图，新的研究范式开辟半导体新路径

这项研究成果的深远影响，远不止于几项破纪录的数据。其核心价值在于，它成功地将氮化铝从一种特定的“粘合剂”，转变为一个可适配、可扩展的“通用集成平台”，为解决各类半导体材料高质量集成的世界性难题，提供了可复制的中国范式。

“我们的工作为解决‘如何让两种不同材料完美结合’这一根本问题，提供了一个标准答案。”周弘强调。

研究团队的目光已经投向更远处。氮化铝固然优秀，但还有像金刚石这样导热性能更强的终极材料。“如果未来能将中间层替换为金刚石，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。”当然，这需要另一个周期的长期攻关，或许又是一个“以十年计”的科研征程。这种对材料极限的持续探索，正是半导体技术不断向前发展的核心动力。

从1990年代末郝跃院士团队开始相关探索，到如今集大成的突破，这项成果凝聚了二十多年的持续钻研。它生动地证明，在芯片这样的硬科技领域，从理论到落地需要长期专注的基础研究作为支撑。这项研究的成功不仅标志着我国在半导体前沿领域实现了从跟跑到并跑、领跑的关键一跃，也为全球半导体技术的进步提供了新的中国方案。

当我们未来在山区自驾时，导航信号依然稳定；当手机在重要时刻不再因为发热而卡顿；当电动汽车的续航因为更高效的芯片而得到提升——这些看似微小的改变，背后都离不开像这样在材料层面实现的技术进步。随着这项共性技术的成熟与扩散，它将继续巩固我国在第三代半导体领域的优势，并加速第四代半导体的实用化进程，为保障国家信息技术产业安全、抢占未来科技制高点注入强劲的源动力。