西安电子科技大学13日发布消息,该校郝跃院士、张进成教授团队在半导体材料集成领域取得重大突破,成功解决了困扰业界多年的核心技术难题。
研究成果已在《自然·通讯》和《科学·进展》等国际顶级期刊发表,标志着我国在前沿半导体技术领域迈出关键一步。
长期以来,半导体产业面临一个根本性技术矛盾:新一代材料的性能优势已被充分认知,但如何通过可控工艺实现高质量制造,始终是制约产业升级的关键瓶颈。
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,不同材料层间的界面质量直接决定器件整体性能表现。
传统工艺中,氮化铝作为关键的中间集成层,在生长过程中会自发形成大量不规则的岛状结构。
这种表面崎岖不平的形态导致热量在界面传递时遭遇巨大阻力,形成显著的热累积效应。
热量无法有效散出,最终造成芯片性能衰减甚至器件失效。
该技术难题自2014年相关成核技术获得诺贝尔奖以来,一直未能得到根本性解决,成为制约射频芯片功率密度提升的最大障碍。
研究团队的核心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,将原有随机、不均匀的材料生长过程转变为精准、可控的均匀生长。
这一工艺创新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形态。
据团队成员周弘介绍,平整的单晶薄膜结构大幅减少了界面缺陷密度,使热量能够快速通过缓冲层导出。
实验数据显示,新型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,实际上解决了从第三代到第四代半导体共同面临的散热难题,为器件性能提升奠定了关键技术基础。
工艺突破直接转化为器件性能的显著提升。
基于新型氮化铝薄膜技术,研究团队制备的氮化镓微波功率器件,在X波段和Ka波段分别实现42瓦每毫米和20瓦每毫米的输出功率密度。
这一指标将国际同类器件性能记录提升了30%至40%,是近二十年来该领域的最大技术跨越。
性能提升带来的应用价值十分广泛。
在相同芯片面积条件下,雷达装备的探测距离可实现显著延伸;通信基站则能够获得更远的信号覆盖范围和更低的运行能耗。
从长远看,该技术为5G和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。
研究成果的深远意义不仅在于数据指标的突破,更在于技术范式的革新。
该团队成功地将氮化铝从特定的材料粘合剂,转变为可适配、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这一世界性难题,提供了可复制推广的技术方案。
周弘表示,团队为解决不同材料完美结合这一根本问题提供了标准答案。
目前研究团队的目光已投向更前沿的方向,探索将中间层替换为导热性能更优异的金刚石材料。
如果这一设想得以实现,器件的功率处理能力有望再提升一个数量级,达到现有水平的十倍甚至更高。
业内专家认为,这项研究不仅展示了我国在前沿半导体技术领域的原始创新能力,也为突破关键核心技术、实现产业链自主可控提供了重要支撑。
随着相关技术的不断成熟和产业化推进,其对国家战略科技力量建设和经济社会发展的推动作用将进一步显现。
半导体竞争既比拼材料指标，更考验制造与集成的“基础功”。
从界面成核这一看似微观的起点入手，解决散热这一工程化“硬骨头”，不仅关乎几项性能纪录的刷新，更关乎能否把先进材料的潜力稳定转化为可用、可量产、可持续的产业能力。
面向未来，新一轮信息技术变革对高功率、高可靠器件的需求只会更强，唯有持续在关键工艺与底层机理上攻坚，才能把技术突破转化为发展优势。