我國學者在二維硒化銦晶圓制造取得突破，晶體管性能超越3納米硅基芯片

2025-07-30 來源：電子工程專輯原創文章

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隨著人工智能（AI）與物聯網（IoT）等前沿應用對計算機算力的需求呈指數級增長，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。

二維半導體材料因其原子級厚度和卓越的電學性能受到廣泛關注，其中二維硒化銦（In?Se?）作為一種新興的低維半導體材料，因其獨特的層狀結構和優異的電學性能，被視為突破傳統硅基芯片物理極限的關鍵候選材料。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，導致其規模化應用受阻。

日前，北京大學電子學院邱晨光研究員課題組、物理學院劉開輝教授課題組與中國人民大學劉燦副教授課題組組成聯合研究團隊，在低維半導體材料與器件領域取得重大突破。

二維硒化銦晶圓制備

據北京大學物理學院官網披露，劉開輝教授課題組與合作者提出“固–液–固”材料制備新策略，通過創新性的化學氣相沉積（CVD）工藝設計，突破了傳統方法中材料相態不純、晶界缺陷多等瓶頸，實現了厘米級、大面積、純相二維硒化銦晶圓的穩定生長。

利用“固-液-固”生長策略制備晶圓級InSe高質量晶膜

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，在高溫下利用低熔點液態銦包覆晶片邊緣，結合熔融石英構建液封空間，防止成分揮發。液態銦在高溫下形成富銦液態界面，驅動非晶InSe轉變為結晶InSe，最終制備出厚度均勻、相結構單一、晶體質量優異的2英寸InSe晶圓。

InSe薄膜的表征

據悉，基于該策略制得的InSe晶圓晶體管陣列展現出卓越的電學性能。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有同類材料。

優于3納米工藝，瞄準亞1納米節點

基于這一材料，團隊進一步開發出低維晶體管器件，其核心性能指標（如10納米溝道的InSe器件在工作電壓、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，同時能效比達到國際領先水平。

二維InSe FET的晶圓制程及電學性能統計

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

研究團隊表示，二維硒化銦晶體管陣列的規模化集成能力，使其在高性能計算、人工智能、物聯網等領域具有廣泛應用潛力。尤其值得關注的是，該成果為亞1納米節點芯片的實現提供了關鍵材料與器件基礎，有望推動芯片技術從“硅基時代”向“低維時代”跨越。

InSe FET的短溝道電學性能

跨學科、跨機構協同創新

此次突破得益于北京大學內部電子學院與物理學院的深度合作，以及與中國人民大學的理論計算團隊的協同攻關。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體器件設計與集成，劉燦副教授團隊則提供了材料表征與理論模擬支持。三方的聯合研究形成了“材料-器件-理論”的完整創新鏈條。

北京大學電子學院官網信息顯示，該研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委項目、騰訊科學探索獎等資助（批準號：52025023、52322205、52250398），以及北大電子學院微納平臺實驗室提供了器件加工支持。

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，于2025年7月18日在線發表于《科學》（Science）。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803。

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