北大团队实现二维硒化铟半导体晶圆制备突破

IT之家 7 月 19 日消息，据北京大学物理学院消息，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授课题组与合作者提出“固–液–固”材料制备新策略，首次实现了高质量二维硒化铟（InSe）半导体晶圆的制备。

据介绍，该材料展现出优异的电学性能，在晶体管阵列中实现了极高的迁移率与接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅，并在超短沟道（10 nm 以下）器件中，其关键参数 — 包括工作电压、栅极长度、漏致势垒降低（DIBL）、电子有效质量、开 / 关比和室温弹道率等，全面优于目前最先进的英特尔 3 纳米节点技术。2025 年 7 月 18 日，相关成果以“用于集成电子学的二维硒化铟晶圆”（Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics）为题，在线发表于《科学》（Science）。

文章称，随着人工智能（AI）与物联网（IoT）等前沿应用对计算机算力提出指数级增长需求，传统硅基晶体管技术在 10 纳米以下工艺节点正逼近物理极限，严重制约了芯片在性能、能效与集成度方面的持续提升。因此，亟需发展新型半导体沟道材料，以突破硅基技术瓶颈，支撑下一代集成电路的持续演进。

具备原子级厚度的二维半导体材料因其超薄厚度与出色的电学特性，受到广泛关注。然而，受限于其本征物理属性（如相对较大的电子有效质量、较低的热速度）以及可控制备技术难题，当前主流二维材料晶圆在大规模集成器件中的表现尚难匹敌先进硅基器件。

在众多候选材料中，硒化铟（InSe）因其低电子有效质量、高热速度以及合适带隙等优异特性，被广泛认为是突破硅极限的有力竞争者，甚至被诺贝尔奖获得者 Andre Geim 教授誉为“黄金半导体”。InSe 理论性能不仅显著优于硅，也超过 MoS2、WS2 等典型二维半导体材料。目前，已在原型器件中得到初步验证。然而，其在晶圆集成制造层面的“卡脖子”问题长期未解，成为阻碍其应用的关键问题。目前高质量 InSe 样品主要依赖机械剥离法获得，产量和尺寸均受到限制，仅局限于实验室研究，远未达到支撑集成电路制造所需的晶圆级规模和质量标准。

目前，虽然可基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）等薄膜沉积技术生长晶圆级 InSe 薄膜，但其晶体质量和电学性能仍显不足，表现远差于理论预期。其材料制备核心挑战主要在于：（1）In–Se 体系存在多种热力学稳定相（如 InSe、In2Se3、In4Se3、In6Se7），极小的化学计量偏差即可诱导相变，导致相纯度下降及器件性能不稳定。（2）铟与硒在高温下蒸气压相差高达七个数量级，严重干扰生长过程中的计量平衡，限制了晶体质量的提升。因此，实现纯相、高质量 InSe 晶圆，是推动其器件化应用的关键。

▲ 图 1. 发展全新“固-液-固”生长策略，制备晶圆级 InSe 高质量晶膜

针对上述挑战，研究团队创新性地提出“固–液–固”二维 InSe 半导体制备策略，成功攻克了晶圆级 InSe 材料纯相、高质量制备的关键难题。具体而言，研究团队首先通过磁控溅射技术，在蓝宝石衬底上沉积非晶 InSe 薄膜，确保前驱体化学计量比为 1:1。随后，在高温下（~550 ℃），利用低熔点液态 In（熔点约 157 ℃）包覆晶片边缘，结合熔融石英构建液封空间，防止成分挥发。另外，液态 In 高温下，少量 In 原子进入固态 InSe 非晶薄膜，形成富 In 液态界面。在该密闭反应体系中，非晶 InSe 在富 In 液态界面发生溶解–再结晶过程，促进高结晶度、纯相 InSe 晶膜的形成。最终，团队制备出厚度均匀、相结构单一、晶体质量优异的 2 英寸 InSe 晶圆。

基于该策略制得的 InSe 晶圆晶体管阵列性能超越目前已报道的所有二维薄膜电子器件，包括极高的迁移率（平均值达 287 cm²/V s）和接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅（平均值低至 67 mV / Dec）。此外，10 nm 沟道的 InSe 器件在工作电压、栅极长度、DIBL、有效质量、开关比以及室温弹道率等关键性能指标上，均超越英特尔 3 纳米节点。器件的延迟时间（delay）和功耗延迟积（EDP）均优于硅技术在 2037 年 IRDS 路线图中的预测极限。

该成果突破了二维 InSe 晶圆制备的关键瓶颈，为高性能、低功耗的新一代晶体管技术提供了坚实的材料基础。未来，基于此类二维 InSe 晶圆的集成电子系统有望在人工智能、自动驾驶、智能终端等前沿领域发挥关键作用，成为后摩尔时代计算架构的重要支撑。

▲ 图 2. 长沟道（A-C）和短沟道（D-F）InSe 晶体管器件优异的电学性能

北京大学博士毕业生秦彪、姜建峰为论文共同第一作者；北京大学刘开辉教授、邱晨光研究员、姜建峰博士，中国人民大学刘灿副教授为共同通讯作者。其他主要合作者还包括北京大学王恩哥院士、彭练矛院士，苏州实验室丁峰教授，苏州大学王璐教授等。

研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石科学基金会等相关项目及北京大学纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室、轻元素先进材料研究中心以及松山湖材料实验室等的大力支持。

IT之家附论文原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803