手機卡頓、電腦死機、電動車續航縮水——很多時候，罪魁禍首是芯片“發燒”。
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、寧靜致力于該領域研究，他們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。近日，該成果發布在《自然·通訊》。
明星材料遇難題
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”，因為它能承受超高電壓、成本還低，在電動汽車、軌道交通、5G/6G基站、智能電網、航空航天等系統中有著廣泛的應用。
但它有個致命缺點：散熱太差！氧化鎵的導熱能力只有硅材料的五分之一，一工作就“發燒”，導致器件容易壞、性能下降。這就像給跑車裝了小散熱器，引擎過熱就跑不快了。
“這些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、實現規模化產業化的最大‘卡脖子’環節。”寧靜告訴《中國科學報》，當前，能夠掌握這類材料對于國家在全球能源和高端制造領域的競爭地位有著深遠的影響。同時，這項研究對于突破關鍵技術封鎖、構建自主可控的產業鏈至關重要。
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——它可是“導熱王者”，散熱能力超強。但單晶金剛石尺寸小、價格昂貴，難以大規模使用。于是團隊轉向了更低成本的“多晶金剛石”，但核心問題又來了：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。
西安電子科技大學郝躍院士團隊在實驗室。受訪者供圖
熱阻大降，性能翻倍
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。團隊還通過一種叫“氧-晶格協同調控”的技術，簡單說就是精細控制氧氣和原子排列，實現了高質量氧化鎵薄膜的穩定外延。這下，材料不再“亂長”，熱應力也大幅降低。
團隊成員、碩士生楊芷純介紹，該技術不僅解決了生長問題，還帶來了驚人的散熱效果。“石墨烯層就像一個‘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，只有傳統技術的十分之一左右。”
團隊實驗證明，基于這個結構制作的類似相機傳感器的光電探測器表現非常出色：光暗電流比高達10?，對比度清晰度超高；響應度210安培/瓦，靈敏度翻倍。這意味著，器件不僅散熱好，光電性能也更優。
這項突破不只是實驗室成果，它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“聯姻”，為解決氧化鎵器件發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展奠定了基礎。
在該技術的基礎上，團隊還開發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了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至電流，非常適合用于高頻高功率放大器。“這項技術有望在未來5G/6G通信基站、雷達系統、衛星通信等關鍵領域發揮重要作用。低缺陷密度的氮化鎵外延層還適用于電動汽車充電樁、數據中心電源等高效率、高頻率的功率開關器件。”楊芷純介紹說。
西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授在實驗室。受訪者供圖
苦戰“晶格”壁壘
寧靜坦言，在科研攻關中遇到諸多挑戰，團隊主要聚焦于范德華外延高質量超寬禁帶半導體外延薄膜，而其核心挑戰，其實都圍繞一個詞：晶格失配。
2024年初，團隊在器件研發中遇阻：器件通電后局部溫度驟升，可靠性急劇退化，這成為了推進技術落地的最大障礙。在這一籌莫展的關鍵時刻，團隊兩位領軍人物郝躍院士和張進成教授帶領大家日夜探討，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，確定從材料生長機制切入突破。此后數月，團隊以小組為單位攻堅：外延生長組反復調試參數，力求精準控制生長條件；材料表征組熬夜分析電鏡數據，捕捉晶核生長的細微變化；器件測試組堅守熱阻測試儀旁，實時反饋性能數據。
讓團隊印象深刻的是，2025年春節，半數成員留守實驗室攻關。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，終于才看到突破曙光。
西安電子科技大學教授寧靜和團隊成員在實驗室攻關。受訪者供圖
每當陷入僵局，團隊總會依據最新文獻梳理思路，在此期間，打破技術壁壘的跨小組交流也從未間斷。“精益求精的材料控制、匠心獨具的工藝創新、以及追根溯源的物理分析是我們團隊成功的關鍵。”在寧靜看來，也正是這一次次面對失敗、分析失敗、超越失敗的過程和經歷，助力其團隊不斷超越自我，痛并快樂地享受著科研的魅力。
記者采訪時了解到，在相關成果發表后，多家企業主動尋求合作，團隊正全力推進技術產業化。未來，團隊將重點突出利用范德華外延技術來突破跨維度、跨材料異質集成技術，與相關企業不斷開展深入合作，助力企業解決技術難題，建設國家級平臺。同時，團隊時刻緊跟國際科研前沿，積極部署超寬禁帶半導體材料及其器件集成方面的研究工作，并開展國內國際合作，在國家戰略需求、地方經濟社會發展、行業產業科技創新以及社會影響和效益方面持續發揮作用。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63666-x
本文鏈接：用“鉆石”給氧化鎵“降溫”，讓電子器件更耐用http://www.sq15.cn/show-11-25800-0.html
聲明：本網站為非營利性網站，本網頁內容由互聯網博主自發貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任。天上不會到餡餅，請大家謹防詐騙！若有侵權等問題請及時與本網聯系，我們將在第一時間刪除處理。
下一篇： 科研繪圖限時優惠！“開學季”活動來了