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《中國科學報》 見習記者 李媛

手機卡頓、電腦死機、電動車續(xù)航縮水……很多時候，這些問題的出現(xiàn)歸因于芯片“發(fā)燒”。

中國科學院院士、西安電子科技大學教授郝躍團隊的教授張進成、寧靜巧妙引入石墨烯作為“翻譯官”，讓氧化鎵與“導熱王者”金剛石成功“牽手”，解決了散熱難題，讓芯片從此“冷靜”工作。相關研究成果近日發(fā)表于《自然-通訊》。

郝躍（中）團隊在實驗室。受訪者供圖

氧化鎵是一種極具潛力的半導體材料，被譽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，在電動汽車、軌道交通、5G/6G基站、智能電網、航空航天等系統(tǒng)中應用廣泛。

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

“散熱問題導致器件性能驟降、壽命縮短，成為制約超寬禁帶半導體走向實用的最大障礙。熱管理已成為決定其能否走出實驗室，實現(xiàn)規(guī)?；?、產業(yè)化應用的最大‘卡脖子’環(huán)節(jié)?！睂庫o告訴《中國科學報》，當前，這類材料的應用對于提升國家在全球能源和高端制造領域的競爭地位有著深遠影響。同時，該研究對于突破關鍵技術封鎖、構建自主可控的產業(yè)鏈至關重要。

如何給它“降溫”？研究團隊起初想到了導熱性能極好的金剛石，它是“導熱王者”，散熱能力超強。但單晶金剛石尺寸小、價格昂貴，難以大規(guī)模使用。于是團隊轉向成本更低的“多晶金剛石”，但核心問題來了：在多晶上生長氧化鎵薄膜時，材料會“亂長”（晶向紊亂），產生裂縫和應力，散熱效果大打折扣。

團隊最終引入“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量地生長在多晶金剛石上。團隊還通過“氧-晶格協(xié)同調控”技術，即精細控制氧氣和原子排列，實現(xiàn)了高質量氧化鎵薄膜的穩(wěn)定外延，從而使材料不再“亂長”，熱應力也大幅降低。

團隊成員楊芷純介紹，該技術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，釋放了界面熱應力，讓熱量高效傳遞。實驗測得，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)技術的1/10左右?！?/span>

團隊實驗證明，基于這種結構制作的類似相機傳感器的光電探測器表現(xiàn)非常出色：光暗電流比高達106，對比度和清晰度超高；響應度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)。

這項突破不只是實驗室成果，還解決了氧化鎵器件的“自熱”痛點，讓高導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。

在該技術的基礎上，團隊開發(fā)了一種新的范德華極化工程異質集成技術，成功在藍寶石襯底上生長了高質量的氮化鎵外延層，并以此為基礎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@項技術有望在未來5G/6G通信基站、雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等關鍵領域發(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、高頻率的功率開關器件?！睏钴萍兘榻B說。

寧靜坦言，在科研攻關中遇到諸多挑戰(zhàn)，團隊主要聚焦于范德華外延高質量超寬禁帶半導體薄膜，其核心挑戰(zhàn)在于晶格失配。

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

同時，對于晶核無序生長的晶格失配問題，團隊確定從材料生長機制切入。此后數(shù)月，團隊以小組為單位攻堅：外延生長組反復調試參數(shù)，力求精準控制生長條件；材料表征組熬夜分析電鏡數(shù)據(jù)，捕捉晶核生長的細微變化；器件測試組堅守在熱阻測試儀旁，實時反饋性能數(shù)據(jù)。

2025年春節(jié)，半數(shù)成員留守實驗室。大年初五，團隊嘗試用二維材料輔助，結合氧等離子體處理襯底，終于看到突破的曙光。

每當陷入僵局，團隊總會依據(jù)最新文獻梳理思路，其間，打破技術壁壘的跨小組交流從未間斷。“精益求精的材料控制、匠心獨具的工藝創(chuàng)新以及追根溯源的物理分析是我們團隊成功的關鍵?！痹趯庫o看來，正是一次次面對失敗、分析失敗、超越失敗的過程和經歷，幫助團隊不斷超越自我，痛并快樂地感受科研魅力。

在相關成果發(fā)表后，多家企業(yè)主動尋求合作，團隊正全力推進技術產業(yè)化。未來，團隊將重點利用范德華外延技術破解跨維度、跨材料異質集成難題，與相關企業(yè)開展深入合作，助力企業(yè)提升技術，建設國家級平臺。

責編：周陽樂

一審：段涵敏

二審：劉文韜

三審：楊又華

來源：中國科學報