我国学者在二维硒化铟晶圆制造取得突破，晶体管性能超越3纳米硅基芯片

2025-07-30 来源：电子工程专辑原创文章

随着人工智能（AI）与物联网（IoT）等前沿应用对计算机算力的需求呈指数级增长，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。

二维半导体材料因其原子级厚度和卓越的电学性能受到广泛关注，其中二维硒化铟（In₂Se₃）作为一种新兴的低维半导体材料，因其独特的层状结构和优异的电学性能，被视为突破传统硅基芯片物理极限的关键候选材料。然而，此前国际上长期面临大面积、单晶、纯相二维硒化铟晶圆的制备难题，导致其规模化应用受阻。

日前，北京大学电子学院邱晨光研究员课题组、物理学院刘开辉教授课题组与中国人民大学刘灿副教授课题组组成联合研究团队，在低维半导体材料与器件领域取得重大突破。

二维硒化铟晶圆制备

据北京大学物理学院官网披露，刘开辉教授课题组与合作者提出“固–液–固”材料制备新策略，通过创新性的化学气相沉积（CVD）工艺设计，突破了传统方法中材料相态不纯、晶界缺陷多等瓶颈，实现了厘米级、大面积、纯相二维硒化铟晶圆的稳定生长。

利用“固-液-固”生长策略制备晶圆级InSe高质量晶膜

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，在高温下利用低熔点液态铟包覆晶片边缘，结合熔融石英构建液封空间，防止成分挥发。液态铟在高温下形成富铟液态界面，驱动非晶InSe转变为结晶InSe，最终制备出厚度均匀、相结构单一、晶体质量优异的2英寸InSe晶圆。

InSe薄膜的表征

据悉，基于该策略制得的InSe晶圆晶体管阵列展现出卓越的电学性能。包括具有高度均匀的原子层厚度（单层InSe仅1.3纳米），极高的迁移率（平均值达287 cm²/V·s）与接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅（平均值低至67 mV/dec），且缺陷密度显著低于现有同类材料。

优于3纳米工艺，瞄准亚1纳米节点

基于这一材料，团队进一步开发出低维晶体管器件，其核心性能指标（如10纳米沟道的InSe器件在工作电压、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，同时能效比达到国际领先水平。

二维InSe FET的晶圆制程及电学性能统计

此次突破为低维半导体技术在芯片领域的应用开辟了新路径。传统硅基芯片因物理极限限制，难以持续满足先进制程（如3纳米及以下）的性能需求，而低维材料因其原子级厚度和量子效应，被视为突破“摩尔定律”瓶颈的重要方向。

研究团队表示，二维硒化铟晶体管阵列的规模化集成能力，使其在高性能计算、人工智能、物联网等领域具有广泛应用潜力。尤其值得关注的是，该成果为亚1纳米节点芯片的实现提供了关键材料与器件基础，有望推动芯片技术从“硅基时代”向“低维时代”跨越。

InSe FET的短沟道电学性能

跨学科、跨机构协同创新

此次突破得益于北京大学内部电子学院与物理学院的深度合作，以及与中国人民大学的理论计算团队的协同攻关。其中，刘开辉教授课题组长期致力于低维材料生长与物性研究，邱晨光研究员课题组聚焦低维半导体器件设计与集成，刘灿副教授团队则提供了材料表征与理论模拟支持。三方的联合研究形成了“材料-器件-理论”的完整创新链条。

北京大学电子学院官网信息显示，该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目、腾讯科学探索奖等资助（批准号：52025023、52322205、52250398），以及北大电子学院微纳平台实验室提供了器件加工支持。

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，于2025年7月18日在线发表于《科学》（Science）。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803。

北京大学物理学院刘开辉教授、电子学院邱晨光研究员、姜建峰博士，中国人民大学物理学院刘灿副教授为论文通讯作者，北京大学毕业生秦彪博士和姜建峰博士为论文共同第一作者。北京大学彭练矛院士、王恩哥院士对工作给予重要指导，纳米器件教育部重点实验室主任张志勇教授给予关键平台支持。主要合作者还包括苏州实验室丁峰教授、北京大学电子学院张宸熙博士、毕业生徐琳博士等。