中国首创！克服半导体行业的挑战

官方微信公众号“西安大学”1月13日报道，半导体多年来面临根本性矛盾。我们知道下一代材料将提高性能，但我们常常不知道如何制造它们。 “大家似乎都知道如何控制热量，但实际上很难理解。”周红说。近日，郝跃院士和张金成教授团队的最新研究在这一核心问题上取得了历史性突破。通过将材料之间的“岛”连接转变为原子级平坦的“薄膜”，芯片的散热效率和整体性能得到显着提升。这不仅打破了近20年的技术停滞，也显示出在尖端科技领域的巨大潜力。相关成果发表在国际领先期刊《自然通讯》和《科学进展》上。重写流程的流程革命从“不平坦的岛屿”到“平坦的林荫大道”。在半导体器件中，不同材料层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”。 “这就像在不规则的水坝上修建运河一样。”周宏解释道。 “‘岛’结构的不规则表面，对内部的传热造成了很大的阻力，形成了‘热断点’。热量如果不能散发出去，就会积聚在芯片内部，最终降低性能，甚至烧毁器件。这个问题还没有完全解决。”自2014年相关成核技术获得诺贝尔奖以来，已经成为限制高频芯片功率输出的最大瓶颈。郝跃院士（左四）指导师生进行实验。该团队的突破在于从根本上改变了氮化铝层的生长模式。它们用精确和控制取代了原始的随机和不均匀的生长过程。我们创新研发了“离子注入诱导成核”技术，使生长变得更加可控和均匀。 “这就像是从随机播种到按计划均匀播种，最终产生均匀的培养物。”周红解释道。这一过程将氮化铝层从粗糙的“多晶岛”结构转变为具有高度规则原子排列的“单晶薄膜”。这种变化代表着质的飞跃。平坦的单晶薄膜显着降低了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，为性能的进一步提升奠定了最重要的基础——40%的性能提升从实验室数据到更广阔的未来应用前景。工艺的进步直接导致设备性能的惊人改进。基于这种创新的氮化铝薄膜技术，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。这一数据使国际同类设备的性能记录提高了30%至40%。这是gr过去 20 年来该领域取得了最大进展。 “这意味着在不改变芯片面积的情况下，可以显着扩大设备的检测范围。对于通信基站来说，可以增加信号范围并降低功耗。”周宏表示。对于普通大众来说，这项技术的好处将逐渐显现出来。尽管移动电话和其他消费设备或当前的设备不需要非常高的能量密度，但基础技术的进步是双赢的。 “未来，偏远地区的手机接收能力可以得到改善，电池寿命也可以得到延长。”更广泛的影响是保留核心器件的关键功能，以促进未来产业发展，如5G/6G通信、卫星互联网等。未来的典范，新的研究范式为半导体醋开辟了新的道路。这项研究成果的深远影响远远超出了记录数据。它是核心价值在于成功将氮化铝从特定的“粘合剂”转变为适应性强、可扩展的“通用集成平台”，为解决多种材料半导体高质量集成的全球性难题提供可复制的中国范式。 “我们的研究为‘如何完美结合两种不同材料？’这个基本问题提供了标准答案。”周宏强调。研究小组进一步进行了研究。氮化铝很棒，但也有像金刚石这样的极端材料，它们的导热性更强。 “如果我们将来能够用金刚石取代中间层，我们预计该设备的功率处理能力将再提高一个数量级，达到我们今天的 10 倍以上。”当然，这还需要另一个长期的研究周期，或许又是一个“十年”的科研航程。对材料极限的持续探索是材料持续进步的核心驱动力。f 半导体技术。这一成果代表了从20世纪90年代末郝跃院士团队开始相关探索到目前的突破，经过20多年的持续研究。这清楚地表明，芯片等硬技术领域需要深入、长期的基础研究来支撑从理论到实施的过程。这项研究的成功不仅标志着我国在半导体前沿领域从跟随者向引领者迈出了重要一步，也为我国推动世界半导体技术进步提供了新的解决方案。即使今后在山区行驶，导航信号也能保持稳定。当你的手机在关键时刻不再因发热而死机。这些看似微小的变化与物质层面的技术进步密不可分，因为更高效的芯片可以提高电动汽车的电池寿命。正如这个常见的技术随着技术的成熟和普及，我国在第三代半导体领域的优势将进一步强化，加快第四代半导体的实用化进程，成为保障国内信息技术产业安全、达到未来科技卓越高度的强劲动力。
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