近年來，隨著硅基芯片性能逐步逼近物理極限，開發(fā)新型高性能、低能耗半導(dǎo)體材料，成為全球科技研發(fā)熱點(diǎn)。其中，二維層狀半導(dǎo)體材料硒化銦因遷移率高、熱速度快等優(yōu)良性能，被視為有望打破硅基物理限制的新材料。然而，長(zhǎng)期以來，硒化銦的大面積、高質(zhì)量制備未能實(shí)現(xiàn)，制約著該材料走向大規(guī)模集成應(yīng)用，成為國(guó)際半導(dǎo)體領(lǐng)域的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。如今，這一困境被我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功打破。

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由北京大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)四年攻關(guān)，首創(chuàng)一種 “蒸籠” 新方法，首次在國(guó)際上成功實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量硒化銦材料的晶圓級(jí)集成制造，并研制出核心性能超越 3 納米硅基芯片的晶體管器件。相關(guān)成果于北京時(shí)間 2025 年 7 月 18 日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

制備材料如同蒸饅頭

“要制備高質(zhì)量、性能好的硒化銦，很關(guān)鍵的一步就是要在制備過程中保持硒原子和銦原子數(shù)量嚴(yán)格達(dá)到 1：1 的比例?！?論文共同通訊作者、北京大學(xué)物理學(xué)院教授劉開輝說。

傳統(tǒng)的制備方法，通常利用開放容器加熱硒和銦，但因其 “蒸發(fā)” 速率不同，無法確保二者原子數(shù)量達(dá)到最優(yōu)比例，致使制備出的晶體質(zhì)量不高。

為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種 “固 - 液 - 固” 相變生長(zhǎng)新思路：先將簡(jiǎn)單制備的低質(zhì)量、原子排列不規(guī)則的非晶硒化銦薄膜，放置于圓形不銹鋼容器里，再將固態(tài)銦放入容器卡槽，蓋蓋密封并將其加熱，升溫后銦形成液態(tài)金屬密封圈。這種密封效果 “好像在蒸籠邊包上一層紗”。之后，蒸汽態(tài)的銦原子被自然 “蒸” 到薄膜邊緣，形成富銦液態(tài)邊界，逐漸 “長(zhǎng)成” 高質(zhì)量、原子排列規(guī)則的硒化銦晶體。

“這種‘封銦’的做法就好像我們用蒸籠蒸饅頭一樣，將蒸汽封在容器里，蓋子蓋嚴(yán)實(shí)，就可保證硒和銦的原子比數(shù)量相當(dāng)，從而長(zhǎng)成高質(zhì)量晶體。硒化銦薄膜就像從‘面團(tuán)’變?yōu)椤z頭’，重量幾乎不變，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)煥然一新?！?劉開輝說。

通過這種方法，團(tuán)隊(duì)成功制備出直徑約 5 厘米的硒化銦晶圓。更令人振奮的是，這片晶圓的 “顏值” 和 “實(shí)力” 并存：表面光滑度比原來提升了 10 倍以上，原子排列整齊度達(dá)到 “單晶” 級(jí)別，意味著電子可以在其中 “暢行無阻”。

關(guān)鍵性能指標(biāo)超越 3 納米硅基芯片

有了高質(zhì)量的材料，團(tuán)隊(duì)立刻制造晶體管進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果令人驚喜：這些基于硒化銦晶圓的晶體管，電子 “奔跑速度”（遷移率）遠(yuǎn)超現(xiàn)有二維材料器件。更關(guān)鍵的是 “開關(guān)特性”，就像電燈開關(guān)，好的晶體管應(yīng)該能快速 “開燈”（導(dǎo)電）和 “關(guān)燈”（絕緣）。測(cè)試顯示，硒化銦晶體管的 “開關(guān)靈敏度” 接近理論極限值，意味著它能以更低能耗實(shí)現(xiàn)快速切換。

團(tuán)隊(duì)也對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)硒化銦晶體管的極限性能進(jìn)行了驗(yàn)證?！拔覀冎圃斓?10 納米溝長(zhǎng)的硒化銦晶體管，本征開關(guān)速度是現(xiàn)有 3 納米硅基技術(shù)的 3 倍，能效也提升了一個(gè)量級(jí)。目前來看，硒化銦晶體管的關(guān)鍵性能指標(biāo)，已滿足國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖所設(shè)定的 2037 年性能指標(biāo)?！?劉開輝說。

“這項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、晶圓級(jí)硒化銦材料的可控制備，是二維半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的重大突破，為高性能、低功耗的新一代晶體管技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)?！?論文共同通訊作者、北京大學(xué)電子學(xué)院研究員邱晨光表示，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已制備出直徑 5 厘米的硒化銦晶圓，并構(gòu)建了高性能晶體管大規(guī)模陣列，可直接用于集成芯片器件。實(shí)驗(yàn)證明，基于二維硒化銦晶圓的集成器件，其優(yōu)勢(shì)在關(guān)鍵電學(xué)性能指標(biāo)與能效方面，分別可達(dá) 3 納米硅基芯片的 3 倍和 10 倍。

為下一代電子器件奠定基礎(chǔ)

“目前，我們的工作還處于原理性驗(yàn)證階段，距離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離?！?劉開輝表示，接下來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化材料制備工藝，提高晶圓的質(zhì)量和尺寸，降低成本，為大規(guī)模生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，他們也將與產(chǎn)業(yè)界合作，推動(dòng)基于硒化銦材料的芯片和器件的研發(fā)和應(yīng)用。

未來，基于這種材料的芯片可能讓電子設(shè)備發(fā)生質(zhì)變：手機(jī)續(xù)航時(shí)間大幅延長(zhǎng)，電腦運(yùn)行速度再上臺(tái)階，人工智能訓(xùn)練效率更高…… 甚至在柔性電子、量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域，硒化銦也有望發(fā)揮重要作用。

“這項(xiàng)研究成果不僅為我國(guó)在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域贏得了國(guó)際話語權(quán)，也為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑和機(jī)遇?！?中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)電子學(xué)院教授彭練矛表示，相信在不久的將來，基于硒化銦材料的高性能芯片將走進(jìn)人們的生活，為推動(dòng)我國(guó)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

來源：半導(dǎo)體芯科技
審核編輯 黃宇