隨著人工智能（AI）與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等前沿應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)算力的需求呈指數(shù)級(jí)增長，傳統(tǒng)硅基晶體管技術(shù)在10納米以下工藝節(jié)點(diǎn)正逼近物理極限，嚴(yán)重制約了芯片在性能、能效與集成度方面的持續(xù)提升。

二維半導(dǎo)體材料因其原子級(jí)厚度和卓越的電學(xué)性能受到廣泛關(guān)注，其中二維硒化銦（In?Se?）作為一種新興的低維半導(dǎo)體材料，因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能，被視為突破傳統(tǒng)硅基芯片物理極限的關(guān)鍵候選材料。然而，此前國際上長期面臨大面積、單晶、純相二維硒化銦晶圓的制備難題，導(dǎo)致其規(guī)模化應(yīng)用受阻。

日前，北京大學(xué)電子學(xué)院邱晨光研究員課題組、物理學(xué)院劉開輝教授課題組與中國人民大學(xué)劉燦副教授課題組組成聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在低維半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域取得重大突破。

二維硒化銦晶圓制備

據(jù)北京大學(xué)物理學(xué)院官網(wǎng)披露，劉開輝教授課題組與合作者提出“固–液–固”材料制備新策略，通過創(chuàng)新性的化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)方法中材料相態(tài)不純、晶界缺陷多等瓶頸，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)、大面積、純相二維硒化銦晶圓的穩(wěn)定生長。

利用“固-液-固”生長策略制備晶圓級(jí)InSe高質(zhì)量晶膜

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)首先通過磁控濺射技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上沉積非晶InSe薄膜，確保前驅(qū)體化學(xué)計(jì)量比為1:1。隨后，在高溫下利用低熔點(diǎn)液態(tài)銦包覆晶片邊緣，結(jié)合熔融石英構(gòu)建液封空間，防止成分揮發(fā)。液態(tài)銦在高溫下形成富銦液態(tài)界面，驅(qū)動(dòng)非晶InSe轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶InSe，最終制備出厚度均勻、相結(jié)構(gòu)單一、晶體質(zhì)量優(yōu)異的2英寸InSe晶圓。

InSe薄膜的表征

據(jù)悉，基于該策略制得的InSe晶圓晶體管陣列展現(xiàn)出卓越的電學(xué)性能。包括具有高度均勻的原子層厚度（單層InSe僅1.3納米），極高的遷移率（平均值達(dá)287 cm2/V·s）與接近玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅（平均值低至67 mV/dec），且缺陷密度顯著低于現(xiàn)有同類材料。

優(yōu)于3納米工藝，瞄準(zhǔn)亞1納米節(jié)點(diǎn)

基于這一材料，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)出低維晶體管器件，其核心性能指標(biāo)（如10納米溝道的InSe器件在工作電壓、柵極長度、漏致勢(shì)壘降低（DIBL）、電子有效質(zhì)量、開/關(guān)比和室溫彈道率等）全面優(yōu)于目前最先進(jìn)的英特爾 3 納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)，同時(shí)能效比達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

二維InSe FET的晶圓制程及電學(xué)性能統(tǒng)計(jì)

此次突破為低維半導(dǎo)體技術(shù)在芯片領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新路徑。傳統(tǒng)硅基芯片因物理極限限制，難以持續(xù)滿足先進(jìn)制程（如3納米及以下）的性能需求，而低維材料因其原子級(jí)厚度和量子效應(yīng)，被視為突破“摩爾定律”瓶頸的重要方向。

研究團(tuán)隊(duì)表示，二維硒化銦晶體管陣列的規(guī)模化集成能力，使其在高性能計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。尤其值得關(guān)注的是，該成果為亞1納米節(jié)點(diǎn)芯片的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵材料與器件基礎(chǔ)，有望推動(dòng)芯片技術(shù)從“硅基時(shí)代”向“低維時(shí)代”跨越。

InSe FET的短溝道電學(xué)性能

跨學(xué)科、跨機(jī)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新

此次突破得益于北京大學(xué)內(nèi)部電子學(xué)院與物理學(xué)院的深度合作，以及與中國人民大學(xué)的理論計(jì)算團(tuán)隊(duì)的協(xié)同攻關(guān)。其中，劉開輝教授課題組長期致力于低維材料生長與物性研究，邱晨光研究員課題組聚焦低維半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與集成，劉燦副教授團(tuán)隊(duì)則提供了材料表征與理論模擬支持。三方的聯(lián)合研究形成了“材料-器件-理論”的完整創(chuàng)新鏈條。

北京大學(xué)電子學(xué)院官網(wǎng)信息顯示，該研究得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、騰訊科學(xué)探索獎(jiǎng)等資助（批準(zhǔn)號(hào)：52025023、52322205、52250398），以及北大電子學(xué)院微納平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室提供了器件加工支持。

相關(guān)成果以“用于集成電子學(xué)的二維硒化銦晶圓（Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics）”為題，于2025年7月18日在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science）。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803。

北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝教授、電子學(xué)院邱晨光研究員、姜建峰博士，中國人民大學(xué)物理學(xué)院劉燦副教授為論文通訊作者，北京大學(xué)畢業(yè)生秦彪博士和姜建峰博士為論文共同第一作者。北京大學(xué)彭練矛院士、王恩哥院士對(duì)工作給予重要指導(dǎo)，納米器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張志勇教授給予關(guān)鍵平臺(tái)支持。主要合作者還包括蘇州實(shí)驗(yàn)室丁峰教授、北京大學(xué)電子學(xué)院張宸熙博士、畢業(yè)生徐琳博士等。

行業(yè)影響：加速低維半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

目前，二維材料芯片技術(shù)全球競爭激烈。美國、韓國、日本等國家均在布局相關(guān)研究，但尚未實(shí)現(xiàn)從材料制備到器件集成的全流程突破。北京大學(xué)此次成果不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白，更在國際上樹立了二維芯片研發(fā)的新標(biāo)桿。

國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界對(duì)這一突破給予高度關(guān)注。麻省理工科技評(píng)論中國指出，二維硒化銦晶圓制造技術(shù)的成熟，可能推動(dòng)低維半導(dǎo)體從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，為全球芯片技術(shù)革新提供“中國方案”。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正與國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)合作，推進(jìn)二維硒化銦材料的規(guī)模化生產(chǎn)與器件工藝優(yōu)化，提升器件良率與穩(wěn)定性，并探索與CMOS工藝兼容的集成方案。邱晨光研究員指出：“未來3-5年，二維材料有望在射頻通信、邊緣計(jì)算和柔性電子等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地。”