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西安电子科技大学攻克芯片散热世界难题
2026/1/15 12:35:26
据西安电子科技大学、西安发布官微消息，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，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，为解决各类半导体材料高质量集成提供了可复制的中国范式。
相关成果日前发表在国际顶级期刊《自然·通讯》和《科学·进展》上。
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，探测距离可以显著增加；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。
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