北大團隊突破二維硒化铟晶圓制備難題：性能超越英特爾 3 納米技術，為後摩爾時代鋪路

　　7 月 19 日消息，北京大學物理學院凝聚态物理與材料物理研究所劉開輝教授課題組與合作者取得重大科研突破 —— 他們提出 “固–液–固” 材料制備新策略，首次成功制備出高質量二維硒化铟(InSe)半導體晶圓。相關成果以《用于集成電子學的二維硒化铟晶圓》(Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics)為題，于 2025 年 7 月 18 日在線發表于國際頂級期刊《科學》(Science)。

　　突破矽基技術瓶頸：新型材料成下一代集成電路關鍵

　　随着人工智能(AI)、物聯網(IoT)等前沿應用對算力的需求呈指數級增長，傳統矽基晶體管技術正面臨嚴峻挑戰。在 10 納米以下工藝節點，矽基材料逐漸逼近物理極限，導緻芯片在性能、能效與集成度上的提升陷入瓶頸。因此，開發新型半導體溝道材料，成為支撐下一代集成電路持續演進的核心課題。

　　二維半導體材料因具備原子級厚度和出色的電學特性，被視為突破矽基限制的重要方向。然而，當前主流二維材料受限于本征物理屬性(如電子有效質量大、熱速度低)及制備技術難題，其晶圓在大規模集成器件中的表現仍難以匹敵先進矽基器件。

　　硒化铟：被寄予厚望的 “黃金半導體”

　　在衆多候選材料中，硒化铟(InSe)憑借低電子有效質量、高熱速度及合适帶隙等優勢，被廣泛認為是突破矽極限的有力競争者，甚至被諾貝爾獎獲得者 Andre Geim 教授譽為 “黃金半導體”。理論上，InSe 的性能不僅顯著優于矽，還超過 MoS₂、WS₂等典型二維半導體材料，且已在原型器件中得到初步驗證。

　　但長期以來，InSe 在晶圓集成制造層面存在 “卡脖子” 問題：高質量 InSe 樣品主要依賴機械剝離法獲得，産量和尺寸極小，僅能滿足實驗室研究;而通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)等技術生長的晶圓級薄膜，又因 In–Se 體系易相變、铟與硒蒸氣壓差異極大等問題，導緻晶體質量和電學性能遠未達預期，嚴重阻礙了其實際應用。

　　“固–液–固” 新策略：攻克晶圓級制備難題

　　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，成功突破了晶圓級 InSe 材料純相、高質量制備的關鍵瓶頸。具體制備過程如下：

　　前驅體制備：通過磁控濺射技術，在藍寶石襯底上沉積非晶 InSe 薄膜，确保前驅體化學計量比精确控制為 1:1;

　　液封與界面調控：在高溫(約 550℃)環境下，利用低熔點液态铟(熔點約 157℃)包覆晶片邊緣，并結合熔融石英構建液封空間，防止成分揮發;同時，液态铟中的少量原子進入固态非晶 InSe 薄膜，形成富铟液态界面;

　　溶解–再結晶：在密閉反應體系中，非晶 InSe 在富铟液态界面發生溶解–再結晶過程，最終形成厚度均勻、相結構單一、晶體質量優異的 2 英寸 InSe 晶圓。

　　性能碾壓：超越英特爾 3 納米技術，刷新二維器件紀錄

　　基于該策略制備的 InSe 晶圓，展現出令人矚目的電學性能：

　　晶體管陣列的平均遷移率達 287 cm²/V・s，亞阈值擺幅平均值低至 67 mV/Dec，接近玻爾茲曼極限，性能超越目前所有已報道的二維薄膜電子器件;

　　在 10 納米以下超短溝道器件中，其關鍵參數(工作電壓、栅極長度、漏緻勢壘降低(DIBL)、電子有效質量、開 / 關比、室溫彈道率等)全面優于當前最先進的英特爾 3 納米節點技術;

　　器件的延遲時間(delay)和功耗延遲積(EDP)，甚至優于矽技術在 2037 年 IRDS 路線圖中的預測極限。

　　應用前景：支撐後摩爾時代計算架構演進

　　該成果不僅突破了二維 InSe 晶圓制備的關鍵瓶頸，更為高性能、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核心作用，成為後摩爾時代計算架構的重要支撐。

　　據悉，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。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、新基石科學基金會等項目及多家科研平台的支持。