IT 之家 7 月 19 日消息，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所劉開輝教授課題組和合作者提出了“固–液–固”材料制備新策略，首次成功制備出高質(zhì)量二維硒化銦（InSe）半導(dǎo)體晶圓。

這種材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的電學(xué)性能。在晶體管陣列中，它實(shí)現(xiàn)了極高的遷移率和接近玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅。在超短溝道（10 nm 以下）器件里，其關(guān)鍵參數(shù)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)。2025 年 7 月 18 日，相關(guān)成果以“用于集成電子學(xué)的二維硒化銦晶圓”為題，在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

文章指出，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等前沿應(yīng)用的發(fā)展，計(jì)算機(jī)算力需求呈指數(shù)級(jí)增長。然而，傳統(tǒng)硅基晶體管技術(shù)在 10 納米以下工藝節(jié)點(diǎn)已接近物理極限，嚴(yán)重阻礙了芯片在性能、能效和集成度方面的進(jìn)一步提升。所以，發(fā)展新型半導(dǎo)體溝道材料，突破硅基技術(shù)瓶頸，對(duì)下一代集成電路的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

具有原子級(jí)厚度的二維半導(dǎo)體材料，憑借超薄厚度和出色電學(xué)特性，受到廣泛關(guān)注。但受本征物理屬性和可控制備技術(shù)的限制，當(dāng)前主流二維材料晶圓在大規(guī)模集成器件中的表現(xiàn)，還比不上先進(jìn)硅基器件。

在眾多候選材料中，硒化銦因其低電子有效質(zhì)量、高熱速度和合適帶隙等優(yōu)異特性，被視為突破硅極限的有力競爭者，甚至被諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Andre Geim 教授稱為“黃金半導(dǎo)體”。InSe 的理論性能不僅遠(yuǎn)超硅，還超過 MoS2、WS2 等典型二維半導(dǎo)體材料，且在原型器件中已得到初步驗(yàn)證。不過，其在晶圓集成制造方面的難題長期未得到解決，這成為阻礙其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前，高質(zhì)量 InSe 樣品主要通過機(jī)械剝離法獲得，產(chǎn)量和尺寸都受限，僅適用于實(shí)驗(yàn)室研究，遠(yuǎn)不能滿足集成電路制造所需的晶圓級(jí)規(guī)模和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

目前，雖然可以利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、分子束外延等薄膜沉積技術(shù)生長晶圓級(jí) InSe 薄膜，但晶體質(zhì)量和電學(xué)性能仍不理想，遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。材料制備的核心挑戰(zhàn)主要有兩點(diǎn)：一是 In – Se 體系存在多種熱力學(xué)穩(wěn)定相，微小的化學(xué)計(jì)量偏差就會(huì)引發(fā)相變，導(dǎo)致相純度降低和器件性能不穩(wěn)定；二是銦與硒在高溫下蒸氣壓相差七個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重影響生長過程中的計(jì)量平衡，限制了晶體質(zhì)量的提高。所以，實(shí)現(xiàn)純相、高質(zhì)量 InSe 晶圓，是推動(dòng)其器件化應(yīng)用的關(guān)鍵。

▲ 圖 1. 發(fā)展全新“固 - 液 - 固”生長策略，制備晶圓級(jí) InSe 高質(zhì)量晶膜

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出“固–液–固”二維 InSe 半導(dǎo)體制備策略，成功攻克了晶圓級(jí) InSe 材料純相、高質(zhì)量制備的關(guān)鍵難題。具體來說，研究團(tuán)隊(duì)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，保證前驅(qū)體化學(xué)計(jì)量比為 1:1。接著，在高溫下（約 550 ℃），用低熔點(diǎn)液態(tài) In 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)。此外，在液態(tài) In 高溫環(huán)境下，少量 In 原子進(jìn)入固態(tài) InSe 非晶薄膜，形成富 In 液態(tài)界面。在這個(gè)密閉反應(yīng)體系中，非晶 InSe 在富 In 液態(tài)界面發(fā)生溶解 - 再結(jié)晶過程，促進(jìn)高結(jié)晶度、純相 InSe 晶膜的形成。最終，團(tuán)隊(duì)制備出了厚度均勻、相結(jié)構(gòu)單一、晶體質(zhì)量優(yōu)異的 2 英寸 InSe 晶圓。

基于該策略制備的 InSe 晶圓晶體管陣列性能，超過了目前已報(bào)道的所有二維薄膜電子器件，包括極高的遷移率（平均值達(dá) 287 cm 2 /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(zhì)量、開關(guān)比以及室溫彈道率等關(guān)鍵性能指標(biāo)上，均超越英特爾 3 納米節(jié)點(diǎn)。器件的延遲時(shí)間和功耗延遲積均優(yōu)于硅技術(shù)在 2037 年 IRDS 路線圖中的預(yù)測極限。

該成果打破了二維 InSe 晶圓制備的關(guān)鍵瓶頸，為高性能、低功耗的新一代晶體管技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。未來，基于此類二維 InSe 晶圓的集成電子系統(tǒng)有望在人工智能、自動(dòng)駕駛、智能終端等前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為后摩爾時(shí)代計(jì)算架構(gòu)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(yōu)異的電學(xué)性能

北京大學(xué)博士畢業(yè)生秦彪、姜建峰是論文的共同第一作者；北京大學(xué)劉開輝教授、邱晨光研究員、姜建峰博士，中國人民大學(xué)劉燦副教授為共同通訊作者。其他主要合作者還有北京大學(xué)王恩哥院士、彭練矛院士，蘇州實(shí)驗(yàn)室丁峰教授，蘇州大學(xué)王璐教授等。

研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新基石科學(xué)基金會(huì)等相關(guān)項(xiàng)目，以及北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、輕元素先進(jìn)材料研究中心和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。

IT 之家附論文原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803

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