北京大学制备出晶圆级二维InSe半导体 为下一代电子产品实现了创纪录的性能

盖世汽车讯 据外媒报道，在下一代电子技术的进步中，北京大学量子材料科学中心（International Center for Quantum Materials）与中国人民大学合作，成功制备出晶圆级二维硒化铟（InSe）半导体。在刘开辉教授的带领下，该团队开发了一种新颖的“固-液-固”生长策略，克服了二维半导体制造中长期存在的障碍。

图片来源： 期刊《Science》

这项研究以“用于集成电子器件的二维硒化铟晶圆（Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics）”为题发表在期刊《Science》上，展示了其卓越的电子性能，超越了所有先前报道的二维薄膜器件。制备的InSe晶体管在室温下表现出超高的电子迁移率和接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅，为二维半导体树立了新的标杆。

硒化铟，通常被称为“金半导体”，具有理想的特性组合——低有效质量、高热速度和合适的带隙。尽管具有这些优势，但由于在合成过程中难以精确保持铟和硒之间1:1的原子比，其晶圆级集成仍然难以实现。传统方法只能生成微观薄片，不足以满足实际电子应用的需求。

随着摩尔定律的放缓和硅材料接近其物理极限，半导体行业面临着越来越大的寻找替代沟道材料的压力。在此背景下，大面积InSe晶体晶圆的成功制造代表着朝着下一代电子产品更快、更节能、更小芯片迈出的关键一步。

In-Se体系面临诸多挑战，包括由于存在多个稳定相以及铟和硒之间巨大的蒸气压差异，导致生长过程中难以保持化学计量。这些问题影响了相纯度、晶体质量和器件整体稳定性。

刘开辉教授团队开发了一种新颖的固-液-固转化策略。该工艺首先使用磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积非晶态InSe薄膜。然后用低熔点铟封装晶片，并密封在石英腔内。

当加热至约550°C时，铟会形成局部富铟环境，从而促进界面处的可控溶解和重结晶。这种精心调控的反应最终形成了均匀的单相InSe晶体薄膜。该方法生产出了2英寸晶圆，其结晶度、相纯度和厚度均匀性在二维InSe领域达到了世界领先水平。

利用这些晶圆，该团队制造了性能卓越的大规模晶体管阵列，其电子迁移率高达287 cm²/V·s，平均亚阈值摆幅为67 mV/dec。这些器件在栅极长度小于10纳米时表现出优异的性能，其特点是漏极诱导势垒降低（DIBL）降低、工作电压降低、开关电流比增强以及室温下高效的弹道传输。

值得注意的是，这些器件的延迟和能量延迟积（EDP）性能超过了2037年IRDS预测，这使得InSe在未来的关键基准测试中领先于硅。

这一突破为下一代高性能低功耗芯片的研发开辟了新的途径，未来有望广泛应用于人工智能、自动驾驶、智能终端等前沿领域。