手機(jī)卡頓、電腦死機(jī)

電動(dòng)車?yán)m(xù)航縮水……

很多時(shí)候

這些問題的出現(xiàn)歸因于芯片“發(fā)燒”

中國科學(xué)院院士、

西安電子科技大學(xué)教授郝躍團(tuán)隊(duì)的

教授張進(jìn)成、寧靜

巧妙引入石墨烯作為“翻譯官”

讓氧化鎵與“導(dǎo)熱王者”金剛石成功“牽手”

解決了散熱難題

讓芯片從此“冷靜”工作

相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-通訊》

郝躍（中）團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室

明星材料遇難題

01

氧化鎵是一種極具潛力的半導(dǎo)體材料，被譽(yù)為下一代高功率電子器件的“明星材料”，能承受超高電壓、成本低，在電動(dòng)汽車、軌道交通、5G/6G基站、智能電網(wǎng)、航空航天等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

然而，氧化鎵有個(gè)致命缺點(diǎn)，散熱太差。氧化鎵的導(dǎo)熱能力只有硅材料的1/5，一工作就“發(fā)燒”，容易導(dǎo)致器件損壞、性能下降。就像給跑車裝了小散熱器，引擎過熱就跑不快了。

“散熱問題導(dǎo)致器件性能驟降、壽命縮短，成為制約超寬禁帶半導(dǎo)體走向?qū)嵱玫淖畲笳系K。熱管理已成為決定其能否走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的最大‘卡脖子’環(huán)節(jié)。”寧靜說，當(dāng)前，這類材料的應(yīng)用對于提升國家在全球能源和高端制造領(lǐng)域的競爭地位有著深遠(yuǎn)影響。同時(shí)，該研究對于突破關(guān)鍵技術(shù)封鎖、構(gòu)建自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要。

如何給它“降溫”？研究團(tuán)隊(duì)起初想到了導(dǎo)熱性能極好的金剛石，它是“導(dǎo)熱王者”，散熱能力超強(qiáng)。但單晶金剛石尺寸小、價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模使用。于是團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向成本更低的“多晶金剛石”，但核心問題來了：在多晶上生長氧化鎵薄膜時(shí)，材料會“亂長”（晶向紊亂），產(chǎn)生裂縫和應(yīng)力，散熱效果大打折扣。

熱阻大降，性能翻倍

02

團(tuán)隊(duì)最終引入“石墨烯”作為中間緩沖層。它就像一位出色的翻譯官，緩解了兩種材料之間的“溝通障礙”，屏蔽了多晶襯底的粗糙影響，使得氧化鎵薄膜能夠平整又高質(zhì)量地生長在多晶金剛石上。團(tuán)隊(duì)還通過“氧-晶格協(xié)同調(diào)控”技術(shù)，即精細(xì)控制氧氣和原子排列，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量氧化鎵薄膜的穩(wěn)定外延，從而使材料不再“亂長”，熱應(yīng)力也大幅降低。

團(tuán)隊(duì)成員楊芷純介紹，該技術(shù)不僅解決了生長問題，還帶來了驚人的散熱效果。“石墨烯層就像潤滑劑，釋放了界面熱應(yīng)力，讓熱量高效傳遞。實(shí)驗(yàn)測得，氧化鎵和金剛石之間的熱阻只有2.82平方米·開爾文/吉瓦——界面熱阻大幅降低，只有傳統(tǒng)技術(shù)的1/10左右?！?/p>

團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)證明，基于這種結(jié)構(gòu)制作的類似相機(jī)傳感器的光電探測器表現(xiàn)非常出色：光暗電流比高達(dá)106，對比度和清晰度超高；響應(yīng)度210安培/瓦，靈敏度翻倍。這意味著，器件不僅散熱好，光電性能更優(yōu)。

這項(xiàng)突破不只是實(shí)驗(yàn)室成果，還解決了氧化鎵器件的“自熱”痛點(diǎn)，讓高導(dǎo)熱金剛石和氧化鎵高效“聯(lián)姻”，為解決氧化鎵器件發(fā)熱問題提供了全新思路，也為未來高性能、高可靠性電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的范德華極化工程異質(zhì)集成技術(shù)，成功在藍(lán)寶石襯底上生長了高質(zhì)量的氮化鎵外延層，并以此為基礎(chǔ)制備出高性能的氮化鎵基射頻器件。該器件具有高電子遷移率、高飽和電流密度和低截止電流，適用于高頻高功率放大器?！斑@項(xiàng)技術(shù)有望在未來5G/6G通信基站、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。低缺陷密度的氮化鎵外延層還適用于電動(dòng)汽車充電樁、數(shù)據(jù)中心電源等高效率、高頻率的功率開關(guān)器件?！睏钴萍兘榻B說。

與“晶格”壁壘苦戰(zhàn)

03

寧靜坦言，在科研攻關(guān)中遇到諸多挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)主要聚焦于范德華外延高質(zhì)量超寬禁帶半導(dǎo)體薄膜，其核心挑戰(zhàn)在于晶格失配。

2024年初，團(tuán)隊(duì)在器件研發(fā)中遇阻。器件通電后局部溫度驟升，可靠性急劇退化，成為推進(jìn)技術(shù)落地的最大障礙。在一籌莫展之際，郝躍和張進(jìn)成帶領(lǐng)大家日夜探討，最后錨定多晶金剛石襯底。

同時(shí)，對于晶核無序生長的晶格失配問題，團(tuán)隊(duì)確定從材料生長機(jī)制切入。此后數(shù)月，團(tuán)隊(duì)以小組為單位攻堅(jiān)：外延生長組反復(fù)調(diào)試參數(shù)，力求精準(zhǔn)控制生長條件；材料表征組熬夜分析電鏡數(shù)據(jù)，捕捉晶核生長的細(xì)微變化；器件測試組堅(jiān)守在熱阻測試儀旁，實(shí)時(shí)反饋性能數(shù)據(jù)。

2025年春節(jié)，半數(shù)成員留守實(shí)驗(yàn)室。大年初五，團(tuán)隊(duì)嘗試用二維材料輔助，結(jié)合氧等離子體處理襯底，終于看到突破的曙光。

每當(dāng)陷入僵局，團(tuán)隊(duì)總會依據(jù)最新文獻(xiàn)梳理思路，其間，打破技術(shù)壁壘的跨小組交流從未間斷?！熬媲缶牟牧峡刂啤⒔承莫?dú)具的工藝創(chuàng)新以及追根溯源的物理分析是我們團(tuán)隊(duì)成功的關(guān)鍵?！痹?strong>寧靜看來，正是一次次面對失敗、分析失敗、超越失敗的過程和經(jīng)歷，幫助團(tuán)隊(duì)不斷超越自我，痛并快樂地感受科研魅力。

在相關(guān)成果發(fā)表后，多家企業(yè)主動(dòng)尋求合作，團(tuán)隊(duì)正全力推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。未來，團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)利用范德華外延技術(shù)破解跨維度、跨材料異質(zhì)集成難題，與相關(guān)企業(yè)開展深入合作，助力企業(yè)提升技術(shù)，建設(shè)國家級平臺。

來源 / 中國科學(xué)報(bào)

排版 / 王子墨涵（融光工作室）

編輯 / 王冠玉

責(zé)編 / 王 格

出品 / 黨委宣傳部（融媒體中心）