北大团队突破二维硒化铟晶圆制备难题：性能超越英特尔 3 纳米技术，为后摩尔时代铺路
7 月 19 日消息，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授课题组与合作者取得重大科研突破 —— 他们提出 “固–液–固” 材料制备新策略，首次成功制备出高质量二维硒化铟(InSe)半导体晶圆。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 日在线发表于国际顶级期刊《科学》(Science)。
突破硅基技术瓶颈：新型材料成下一代集成电路关键
随着人工智能(AI)、物联网(IoT)等前沿应用对算力的需求呈指数级增长，传统硅基晶体管技术正面临严峻挑战。在 10 纳米以下工艺节点，硅基材料逐渐逼近物理极限，导致芯片在性能、能效与集成度上的提升陷入瓶颈。因此，开发新型半导体沟道材料，成为支撑下一代集成电路持续演进的核心课题。
二维半导体材料因具备原子级厚度和出色的电学特性，被视为突破硅基限制的重要方向。然而，当前主流二维材料受限于本征物理属性(如电子有效质量大、热速度低)及制备技术难题，其晶圆在大规模集成器件中的表现仍难以匹敌先进硅基器件。
硒化铟：被寄予厚望的 “黄金半导体”
在众多候选材料中，硒化铟(InSe)凭借低电子有效质量、高热速度及合适带隙等优势，被广泛认为是突破硅极限的有力竞争者，甚至被诺贝尔奖获得者 Andre Geim 教授誉为 “黄金半导体”。理论上，InSe 的性能不仅显著优于硅，还超过 MoS₂、WS₂等典型二维半导体材料，且已在原型器件中得到初步验证。
但长期以来，InSe 在晶圆集成制造层面存在 “卡脖子” 问题：高质量 InSe 样品主要依赖机械剥离法获得，产量和尺寸极小，仅能满足实验室研究;而通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等技术生长的晶圆级薄膜，又因 In–Se 体系易相变、铟与硒蒸气压差异极大等问题，导致晶体质量和电学性能远未达预期，严重阻碍了其实际应用。
“固–液–固” 新策略：攻克晶圆级制备难题
针对上述挑战，研究团队创新性地提出 “固–液–固” 二维 InSe 半导体制备策略，成功突破了晶圆级 InSe 材料纯相、高质量制备的关键瓶颈。具体制备过程如下：
前驱体制备：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精确控制为 1:1;
液封与界面调控：在高温(约 550℃)环境下，利用低熔点液态铟(熔点约 157℃)包覆晶片边缘，并结合熔融石英构建液封空间，防止成分挥发;同时，液态铟中的少量原子进入固态非晶 InSe 薄膜，形成富铟液态界面;
溶解–再结晶：在密闭反应体系中，非晶 InSe 在富铟液态界面发生溶解–再结晶过程，最终形成厚度均匀、相结构单一、晶体质量优异的 2 英寸 InSe 晶圆。
性能碾压：超越英特尔 3 纳米技术，刷新二维器件纪录
基于该策略制备的 InSe 晶圆，展现出令人瞩目的电学性能：
晶体管阵列的平均迁移率达 287 cm²/V・s，亚阈值摆幅平均值低至 67 mV/Dec，接近玻尔兹曼极限，性能超越目前所有已报道的二维薄膜电子器件;
在 10 纳米以下超短沟道器件中，其关键参数(工作电压、栅极长度、漏致势垒降低(DIBL)、电子有效质量、开 / 关比、室温弹道率等)全面优于当前最先进的英特尔 3 纳米节点技术;
器件的延迟时间(delay)和功耗延迟积(EDP)，甚至优于硅技术在 2037 年 IRDS 路线图中的预测极限。
应用前景：支撑后摩尔时代计算架构演进
该成果不仅突破了二维 InSe 晶圆制备的关键瓶颈，更为高性能、低功耗的新一代晶体管技术提供了坚实的材料基础。未来，基于此类二维 InSe 晶圆的集成电子系统，有望在人工智能、自动驾驶、智能终端等前沿领域发挥核心作用，成为后摩尔时代计算架构的重要支撑。
据悉，北京大学博士毕业生秦彪、姜建峰为论文共同第一作者;北京大学刘开辉教授、邱晨光研究员、姜建峰博士，中国人民大学刘灿副教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石科学基金会等项目及多家科研平台的支持。
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