7 月 19 日消息，據北京大學物理學院消息，北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所劉開輝教授課題組與合作者提出“固–液–固”材料制備新策略，首次實現了高質量二維硒化銦（InSe）半導體晶圓的制備。
據介紹，該材料展現出優異的電學性能，在晶體管陣列中實現了極高的遷移率與接近玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅，并在超短溝道（10 nm 以下）器件中，其關鍵參數 — 包括工作電壓、柵極長度、漏致勢壘降低（DIBL）、電子有效質量、開 / 關比和室溫彈道率等，全面優于目前最先進的英特爾 3 納米節點技術。2025 年 7 月 18 日，相關成果以“用于集成電子學的二維硒化銦晶圓”（Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics）為題，在線發表于《科學》（Science）。
文章稱，隨著人工智能（AI）與物聯網（IoT）等前沿應用對計算機算力提出指數級增長需求，傳統硅基晶體管技術在 10 納米以下工藝節點正逼近物理極限，嚴重制約了芯片在性能、能效與集成度方面的持續提升。因此，亟需發展新型半導體溝道材料，以突破硅基技術瓶頸，支撐下一代集成電路的持續演進。
具備原子級厚度的二維半導體材料因其超薄厚度與出色的電學特性，受到廣泛關注。然而，受限于其本征物理屬性（如相對較大的電子有效質量、較低的熱速度）以及可控制備技術難題，當前主流二維材料晶圓在大規模集成器件中的表現尚難匹敵先進硅基器件。
在眾多候選材料中，硒化銦（InSe）因其低電子有效質量、高熱速度以及合適帶隙等優異特性，被廣泛認為是突破硅極限的有力競爭者，甚至被諾貝爾獎獲得者 Andre Geim 教授譽為“黃金半導體”。InSe 理論性能不僅顯著優于硅，也超過 MoS2、WS2 等典型二維半導體材料。目前，已在原型器件中得到初步驗證。然而，其在晶圓集成制造層面的“卡脖子”問題長期未解，成為阻礙其應用的關鍵問題。目前高質量 InSe 樣品主要依賴機械剝離法獲得，產量和尺寸均受到限制，僅局限于實驗室研究，遠未達到支撐集成電路制造所需的晶圓級規模和質量標準。
目前，雖然可基于金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）等薄膜沉積技術生長晶圓級 InSe 薄膜，但其晶體質量和電學性能仍顯不足，表現遠差于理論預期。其材料制備核心挑戰主要在于：（1）In–Se 體系存在多種熱力學穩定相（如 InSe、In2Se3、In4Se3、In6Se7），極小的化學計量偏差即可誘導相變，導致相純度下降及器件性能不穩定。（2）銦與硒在高溫下蒸氣壓相差高達七個數量級，嚴重干擾生長過程中的計量平衡，限制了晶體質量的提升。因此，實現純相、高質量 InSe 晶圓，是推動其器件化應用的關鍵。
▲ 圖 1. 發展全新“固-液-固”生長策略，制備晶圓級 InSe 高質量晶膜
針對上述挑戰，研究團隊創新性地提出“固–液–固”二維 InSe 半導體制備策略，成功攻克了晶圓級 InSe 材料純相、高質量制備的關鍵難題。具體而言，研究團隊首先通過磁控濺射技術，在藍寶石襯底上沉積非晶 InSe 薄膜，確保前驅體化學計量比為 1:1。隨后，在高溫下（~550 ℃），利用低熔點液態 In（熔點約 157 ℃）包覆晶片邊緣，結合熔融石英構建液封空間，防止成分揮發。另外，液態 In 高溫下，少量 In 原子進入固態 InSe 非晶薄膜，形成富 In 液態界面。在該密閉反應體系中，非晶 InSe 在富 In 液態界面發生溶解–再結晶過程，促進高結晶度、純相 InSe 晶膜的形成。最終，團隊制備出厚度均勻、相結構單一、晶體質量優異的 2 英寸 InSe 晶圓。
基于該策略制得的 InSe 晶圓晶體管陣列性能超越目前已報道的所有二維薄膜電子器件，包括極高的遷移率（平均值達 287 cm2/V s）和接近玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅（平均值低至 67 mV / Dec）。此外，10 nm 溝道的 InSe 器件在工作電壓、柵極長度、DIBL、有效質量、開關比以及室溫彈道率等關鍵性能指標上，均超越英特爾 3 納米節點。器件的延遲時間（delay）和功耗延遲積（EDP）均優于硅技術在 2037 年 IRDS 路線圖中的預測極限。
該成果突破了二維 InSe 晶圓制備的關鍵瓶頸，為高性能、低功耗的新一代晶體管技術提供了堅實的材料基礎。未來，基于此類二維 InSe 晶圓的集成電子系統有望在人工智能、自動駕駛、智能終端等前沿領域發揮關鍵作用，成為后摩爾時代計算架構的重要支撐。
▲ 圖 2. 長溝道（A-C）和短溝道（D-F）InSe 晶體管器件優異的電學性能
北京大學博士畢業生秦彪、姜建峰為論文共同第一作者；北京大學劉開輝教授、邱晨光研究員、姜建峰博士，中國人民大學劉燦副教授為共同通訊作者。其他主要合作者還包括北京大學王恩哥院士、彭練矛院士，蘇州實驗室丁峰教授，蘇州大學王璐教授等。
研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、新基石科學基金會等相關項目及北京大學納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室、輕元素先進材料研究中心以及松山湖材料實驗室等的大力支持。
