中国首创 “蒸笼” 法，蒸出高性能 “黄金半导体”

近年来，随着硅基芯片性能逐步逼近物理极限，开发新型高性能、低能耗半导体材料，成为全球科技研发热点。其中，二维层状半导体材料硒化铟因迁移率高、热速度快等优良性能，被视为有望打破硅基物理限制的新材料。然而，长期以来，硒化铟的大面积、高质量制备未能实现，制约着该材料走向大规模集成应用，成为国际半导体领域的一大技术挑战。如今，这一困境被我国科研团队成功打破。

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由北京大学、中国人民大学科研人员组成的研究团队历经四年攻关，首创一种 “蒸笼” 新方法，首次在国际上成功实现高质量硒化铟材料的晶圆级集成制造，并研制出核心性能超越 3 纳米硅基芯片的晶体管器件。相关成果于北京时间 2025 年 7 月 18 日在线发表于国际顶级学术期刊《科学》。

制备材料如同蒸馒头

“要制备高质量、性能好的硒化铟，很关键的一步就是要在制备过程中保持硒原子和铟原子数量严格达到 1：1 的比例。” 论文共同通讯作者、北京大学物理学院教授刘开辉说。

传统的制备方法，通常利用开放容器加热硒和铟，但因其 “蒸发” 速率不同，无法确保二者原子数量达到最优比例，致使制备出的晶体质量不高。

为此，研究团队创造出一种 “固 - 液 - 固” 相变生长新思路：先将简单制备的低质量、原子排列不规则的非晶硒化铟薄膜，放置于圆形不锈钢容器里，再将固态铟放入容器卡槽，盖盖密封并将其加热，升温后铟形成液态金属密封圈。这种密封效果 “好像在蒸笼边包上一层纱”。之后，蒸汽态的铟原子被自然 “蒸” 到薄膜边缘，形成富铟液态边界，逐渐 “长成” 高质量、原子排列规则的硒化铟晶体。

“这种‘封铟’的做法就好像我们用蒸笼蒸馒头一样，将蒸汽封在容器里，盖子盖严实，就可保证硒和铟的原子比数量相当，从而长成高质量晶体。硒化铟薄膜就像从‘面团’变为‘馒头’，重量几乎不变，但内部结构焕然一新。” 刘开辉说。

通过这种方法，团队成功制备出直径约 5 厘米的硒化铟晶圆。更令人振奋的是，这片晶圆的 “颜值” 和 “实力” 并存：表面光滑度比原来提升了 10 倍以上，原子排列整齐度达到 “单晶” 级别，意味着电子可以在其中 “畅行无阻”。

关键性能指标超越 3 纳米硅基芯片

有了高质量的材料，团队立刻制造晶体管进行测试。结果令人惊喜：这些基于硒化铟晶圆的晶体管，电子 “奔跑速度”（迁移率）远超现有二维材料器件。更关键的是 “开关特性”，就像电灯开关，好的晶体管应该能快速 “开灯”（导电）和 “关灯”（绝缘）。测试显示，硒化铟晶体管的 “开关灵敏度” 接近理论极限值，意味着它能以更低能耗实现快速切换。

团队也对先进节点硒化铟晶体管的极限性能进行了验证。“我们制造的 10 纳米沟长的硒化铟晶体管，本征开关速度是现有 3 纳米硅基技术的 3 倍，能效也提升了一个量级。目前来看，硒化铟晶体管的关键性能指标，已满足国际半导体技术路线图所设定的 2037 年性能指标。” 刘开辉说。

“这项研究首次实现了高质量、晶圆级硒化铟材料的可控制备，是二维半导体材料领域的重大突破，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。” 论文共同通讯作者、北京大学电子学院研究员邱晨光表示，团队现已制备出直径 5 厘米的硒化铟晶圆，并构建了高性能晶体管大规模阵列，可直接用于集成芯片器件。实验证明，基于二维硒化铟晶圆的集成器件，其优势在关键电学性能指标与能效方面，分别可达 3 纳米硅基芯片的 3 倍和 10 倍。

为下一代电子器件奠定基础

“目前，我们的工作还处于原理性验证阶段，距离产业化还有一定距离。” 刘开辉表示，接下来，团队将进一步优化材料制备工艺，提高晶圆的质量和尺寸，降低成本，为大规模生产奠定基础。同时，他们也将与产业界合作，推动基于硒化铟材料的芯片和器件的研发和应用。

未来，基于这种材料的芯片可能让电子设备发生质变：手机续航时间大幅延长，电脑运行速度再上台阶，人工智能训练效率更高…… 甚至在柔性电子、量子计算等前沿领域，硒化铟也有望发挥重要作用。

“这项研究成果不仅为我国在半导体材料领域赢得了国际话语权，也为我国集成电路产业的发展提供了新的技术路径和机遇。” 中国科学院院士、北京大学电子学院教授彭练矛表示，相信在不久的将来，基于硒化铟材料的高性能芯片将走进人们的生活，为推动我国科技进步和经济发展作出重要贡献。

来源：半导体芯科技

审核编辑 黄宇