科学家构建理想弹道输运晶体管，实现二维硒化铟半导体重大跨越

在新型半导体领域，北京大学团队和美国麻省理工学院团队或许可被称作是“双雄”一般的存在。而北京大学彭练矛院士的学生、北京大学博士毕业生、目前正在美国麻省理工学院从事博士后研究的姜建峰，继以第一作者身份在Nature发表弹道输运的硒化铟晶体管研究后，姜建峰近期又以通讯作者兼共同一作的身份，在Science发表了关于晶圆级集成硒化铟半导体的重要成果。该系列工作不仅进一步推动了超高性能二维器件的可制造性与系统集成化发展，也引起了业界广泛关注，并于近期收到了英特尔公司以及美国半导体研究联盟的演讲邀请。

在此前发表在于Nature的研究中，他和合作者构建出一种基于硒化铟的理想弹道输运晶体管，在单个器件层面首次实现能效超越硅基技术，从实验角度回答了二维器件是否能超越硅的核心科学问题。

而在最新发表于Science的工作中，他和合作者再次实现关键性突破，攻克了硒化铟半导体集成制造的难题，首次将二维硒化铟器件从“单器件”推向“晶圆级平台”，成功实现大面积可集成的二维电子器件，为后摩尔时代的芯片技术打开了新的可能。

“从本科毕业设计开始，我就开始从事硒化铟半导体的研究，从山大到北大，再到麻省理工，一晃已经九年。”姜建峰告诉 DeepTech。“二维半导体就像一块可以被‘重新定义’的拼图，”他解释说，“它不仅具备硅材料的几乎全部功能，还能在能效方面实现超越。换句话说，未来的芯片可能更小、更快、更省电，而这正是信息技术不断前进的关键。”

实现二维硒化铟从“毫米量级”走向“晶圆尺寸”的重大跨越

在人类科技发展的历程中，半导体技术的革命发挥了重要作用。从人工智能到大数据，从智能制造到万物互联，所有先进技术的背后都离不开一个核心支撑——被誉为现代科技“心脏”的集成电路芯片。在过去七十余年里，硅材料作为芯片的基础，推动了整个半导体产业的飞速发展。然而，随着芯片制程接近物理极限，摩尔定律正逐步走到尽头。如何寻找性能更高、功耗更低的新型半导体技术，成为全球科技界面临的共同课题。

在这样的背景下，具有原子级厚度的二维半导体材料开始走入全球科技前沿的聚光灯下。作为被寄予厚望的“后摩尔时代”接力技术，它有望打破传统硅基芯片在性能和尺寸上的瓶颈。

相比传统硅材料，二维半导体不仅更薄、更快，还具有更高的工艺兼容性。它在极限尺寸微缩、供电电压降低、三维集成等关键方向上展现出独特优势，成为实现高性能与低功耗兼得的潜在解决方案。

正因如此，这一前沿技术已引起全球半导体产业巨头的高度重视。英特尔、台积电、三星电子以及欧洲微电子中心等国际领先企业和机构，均将二维半导体列为下一代芯片技术的战略研发重点。美国白宫也在近期发布的《国家微电子研究战略》中，明确将二维材料纳入延续摩尔定律的核心方向之一。

但理想与现实之间仍存在距离。由于二维半导体在物理本征性能、制备质量及工艺可控性方面尚存难点，其整体器件性能仍难以全面超越先进硅基技术。同时，实现大面积、高一致性、可靠的集成制造也面临着严峻挑战。

总的来看，二维半导体电子学领域正面临两大核心科学问题：一是二维半导体器件是否真的能够在单器件层面超越现有先进的硅基技术？二是二维半导体能否真正实现大规模、高性能、稳定可靠的集成？

而这不仅是技术路线的抉择，更是决定“后硅时代”关键突破口。在众多二维半导体中，硒化铟毫无疑问是非常独特的一种存在，其优异的电子特性被视为打破瓶颈的希望——其理论性能远优于硅和其他二维半导体，诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆（Andre Geim）教授更将其誉为“黄金半导体”。

然而，如何真正将这种“潜力股”转化为实际应用的“硬通货”，从“知道它好”到“让它好用”，中间还有很大的技术鸿沟。“很多学者尝试将晶体管做小，但性能却跟不上；也有人实现了较高的电流密度，但开关斜率严重受限，”姜建峰解释说，“还有的为了追求陡峭的开关斜率，不得不牺牲开态性能，‘拆东墙补西墙’式的权衡随处可见。所以要同时解决这些问题，极具挑战。”

他表示，接触界面和栅极堆叠结构是其中的两大关键瓶颈，而他于 2023 年发表的Nature论文集中突破了这两个难点。弹道输运意味着电子在器件中几乎不发生散射，就像高速公路上没有红绿灯，对集成电路能效起着决定性作用。“我们常说，界面即是器件，”他说，“关于接触界面物理的深入机制分析，在上述Nature论文发表之后，我们在后续研究中进一步拓展，并将相关论文于 2024 年发表了Nature Electronics。”

2023 年发表的论文虽然取得了不错的性能突破，但是所采用的依旧是借鉴石墨烯研究中获得诺贝尔奖的“机械剥离法”。这种方法虽然能获得高质量的硒化铟晶体样品，但却难以实现大面积、可控产出的制备过程，从而限制了其在大规模集成电路中的实用性。

在本文开头提到的最新发表于Science的论文中，姜建峰与北京大学刘开辉教授团队及秦彪博士合作，攻克了晶圆级硒化铟二维材料制备与集成的关键难题，实现了二维硒化铟从“毫米量级”走向“晶圆尺寸”的重大跨越。“这是硒化铟从实验室研究走向工业应用的关键一步。”姜建峰表示，“对于任何想要实现大规模集成的材料来说，高均匀性、纯相性、高质量与大尺寸晶体薄膜是最基本的技术门槛，而这正是整个领域长期面临的核心挑战。”

基于这一全新生长工艺制备的硒化铟晶圆器件阵列，不仅能够保留材料本征优异的电学性能，更在核心指标上实现了突破：这种硒化铟晶圆器件阵列的迁移率极高，开关特性接近玻尔兹曼热极限，平均亚阈值摆幅低至 67mV/Dec，工作电压仅为 0.5V。这意味着，即使在尺寸更小的晶体管中，也能精准控制导通与关断。在实现更高能效的同时，极大推动了二维半导体在超低功耗芯片中的应用前景。“这同样很好地回答了前面所提到的二维半导体的第二个核心科学问题。”姜建峰表示。

在新型硒化铟半导体领域的九年革新之路

回顾过往，自 2016 年起进入硒化铟半导体研究领域，姜建峰一路见证并参与了这项前沿材料从实验室概念到有望大规模集成的全过程：2019 年，他和所在团队发表了首篇关于硒化铟电子器件的论文；2023 年，他和所在团队实现了器件性能的历史性突破；2025 年，他又和所在团队完成了硒化铟集成化的关键跨越。

一路走来，他面向亚 1nm 技术节点集成电路芯片，深耕纳米电子器件及系统集成领域，开发了一系列先进技术解决了电子学领域前沿科学问题。代表性一作/通讯研究工作包括：Nature主刊（2 篇）、Science主刊（1 篇）、Nature系列子刊多篇，如Nature ElectronicsNature MaterialsNature Reviews Electrical Engineering等，相关成果被英特尔、台积电、比利时微电子中心等半导体芯片制造公司和机构在超大规模集成电路研讨会（VLSI）和 IEEE 国际电子元件会议（IEDM）中列为年度芯片器件重大进展，并被Nature Electronics进行专题报道。

“从科学问题到工程落地，再到产业转化，我都想走一遍。”姜建峰坦言，自己内心的这种冲动越来越强烈。

走过九年科研路，姜建峰也在心中埋下了新的种子。面对实验室里技术的突破，他开始思考能不能把这些走在世界前沿的研究真正带出“象牙塔”，让实验台上的图纸变成产业线上的产品？让论文中的“先进制程”走进未来的芯片工厂？因此，他计划把自己这些年在半导体领域的积累，真正转化为中国“芯”的一份力量。“我至今记得博士毕业之际，彭练矛教授语重心长地嘱托我‘做人要不卑不亢，做研究要全力以赴’。于我而言，科研是向内扎根，创业是向外生长。未来，我希望能亲自去试一试，看能不能把二维电子器件从实验室做上产业线。”他说。

参考资料：

1.J. Jiang, L. Xu, C. Qiu & L.-M. Peng, Ballistic two-dimensional InSe transistors.Nature616, 470-475 (2023).

2.Q. Biao, J. Jiang, L. Wang, Q. Guo, C. Zhang, L. Xu, X. Ni, P. Yin, L.-M. Peng, E. Wang, F. Ding, C. Qiu, C. Liu, K. Liu, Two-dimensional indium selenide wafer for integrated electronics.Science389, 299-302 (2025).

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