半导体散热瓶颈有了新突破

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    光明日报西安1月20日电（记者张哲浩、李洁）长期以来，半导体面临一个难题：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。西安电子科技大学领军教授周弘比喻道：“就像我们都知道怎么控制火候，但真正把握好却不容易。”日前，记者从西安电子科技大学获悉，该校郝跃院士张进成教授团队在这一核心难题上实现了历史性跨越——团队将材料间的“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。这一成果打破了近20年的技术停滞，更在国防与前沿科技领域展现出巨大潜力，相关成果近日发表在国际学术期刊《自然·通讯》与《科学·进展》上。
    在半导体器件中，不同材料层之间的界面质量直接决定其整体性能，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“黏合层”，但“黏合层”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，‘岛状’结构表面崎岖，就会导致热量在界面传递时阻力极大，形成‘热堵点’。”周弘解释，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。
    该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”。
    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，热量可快速通过缓冲/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。
    这项材料工艺革新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关键基础。
    周弘表示，这项研究成果的核心价值在于，它成功将氮化铝从一种特定的“黏合剂”，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。

来源：光明日报