破局！困擾業界20年的晶片散熱難題被攻克！中國團隊實現關鍵突破

在半導體的世界裡，性能的躍升往往被一個看不見卻無處不在的敵人所限制——熱量。

“我們早就知道更好的材料能帶來更強的晶片，但真正難的是，如何讓這些材料‘聽話’地長在一起。”西安電子科技大學周弘教授這樣形容困擾行業近二十年的核心難題。

近日，由郝躍院士、張進成教授領銜的科研團隊，在這一關鍵瓶頸上取得歷史性突破：他們通過顛覆性的材料生長工藝，將原本如“亂石堆”般的介面結構，轉化為原子級平整的單晶薄膜，一舉打通晶片內部的“散熱高速公路”。相關成果接連登上國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）與《科學·進展》（Science Advances），後者更將其選為封面論文，標誌著中國在半導體基礎工藝領域實現從“跟跑”到“領跑”的關鍵跨越。

從“熱島迷宮”到“原子坦途”

一場靜默卻深刻的範式革命

在以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體，以及氧化鎵（Ga₂O₃）等第四代半導體器件中，不同材料之間的“介面”如同城市的交通樞紐——那怕主幹道再寬，若連接處擁堵不堪，整體效率仍會大打折扣。

長期以來，工程師們依賴氮化鋁（AlN）作為緩衝層，將高性能半導體材料“粘合”到矽或碳化矽襯底上。然而，傳統外延生長技術下，氮化鋁會自發形成大量孤立、高低不平的“島狀”多晶結構。“這就像在晶片內部修了一條佈滿坑窪和斷橋的路，”周弘比喻道，“熱量走到這裡就‘堵車’了，越積越多，最終導致器件過熱失效。”

自2014年異質外延成核機制獲諾貝爾獎以來，全球科學家嘗試了無數方法最佳化介面，卻始終未能根治這一“熱障”。它成為制約高功率射頻晶片、5G基站、衛星通訊等關鍵應用進一步突破的最大攔路虎。

而西電團隊的答案，出人意料地簡潔而深刻：不在老“路上”修修補補，而是重造“地基”。

他們首創“離子注入誘導成核”技術——通過精準調控離子能量與劑量，在襯底表面預先“播種”成核位點，引導氮化鋁原子按統一方向有序生長。結果令人振奮：原本雜亂無章的“島嶼群”，奇蹟般轉變為連續、緻密、原子排列高度一致的單晶薄膜。

“這不再是拼湊的補丁，而是一條無縫對接的原子級大道。”周弘說。

熱阻降低三分之二，功率密度飆升40%

實驗室資料點燃產業新可能

介面一通，全域皆活。

實驗表明，採用新工藝製備的氮化鎵微波功率器件，在X波段（8–12 GHz）輸出功率密度達 42 W/mm，Ka波段（26–40 GHz）達 20 W/mm，較國際現有最高水平提升 30%–40%，創下近二十年來該領域最大幅度的性能躍升。

更關鍵的是，介面熱阻降至傳統結構的三分之一。這意味著晶片在高負荷執行階段，溫度更低、壽命更長、穩定性更強。

“對雷達系統而言，這意味著探測距離可延伸數十公里；對5G基站，意味著單站覆蓋範圍擴大、能耗顯著下降。”周弘指出。而對於普通使用者，這項技術的漣漪效應也將逐步顯現：未來手機在訊號微弱區域的通話更清晰，電動汽車電控系統的效率更高，甚至衛星網際網路終端裝置的體積和功耗都將大幅最佳化。

從“專用膠水”到“通用平台”

中國方案開啟半導體整合新紀元

這項突破的意義，遠不止於性能數字本身。

過去，氮化鋁被視為一種“不得已而為之”的過渡材料；如今，西電團隊將其升級為可程式設計、可擴展的通用整合平台。無論面對氮化鎵、氧化鎵，還是未來可能出現的新型半導體，只要採用這一介面工程策略，就能實現高品質、低熱阻的異質整合。

“我們提供了一種普適性的‘材料融合協議’，”周弘強調，“這相當於為半導體世界制定了一套新的‘介面標準’。”

團隊的目光已投向更遠的未來：氮化鋁雖好，但導熱極限仍受限。若能將中間層取代為金剛石——目前已知導熱率最高的材料（超2000 W/m·K），器件功率處理能力有望再提升一個數量級。“那將是另一個十年的故事，”周弘坦言，“但今天的突破，為我們打開了通往那扇門的鑰匙。”

二十年磨一劍

硬科技需要“坐冷板凳”的定力

回望來路，從1990年代末郝躍院士在中國率先佈局寬禁帶半導體研究，到如今實現介面工程的範式突破，這條科研長跑跨越了整整一代人的堅守。

在晶片領域，真正的“卡脖子”往往不在設計，而在材料與工藝的底層細節。西電團隊用二十多年的持續深耕證明：唯有紮根基礎、敢於重構底層邏輯，才能在關鍵時刻實現“非對稱超越”。

當未來我們在珠峰大本營流暢視訊通話，當自動駕駛汽車在高溫沙漠中穩定運行，當低軌衛星為偏遠海島送去高速網路——這些場景的背後，或許正流淌著源自中國實驗室的原子級“散熱之道”。

而這場始於一片薄膜的革命，才剛剛開始。 (晶片研究室)