7月19日，IT之家报道，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所的刘开辉教授及其团队，联合其他研究者，成功研发了一种新型的“固-液-固”材料制备方法。该方法首次成功制备出了高质量的二维硒化铟（InSe）半导体晶圆。
据相关介绍，这种材料表现出卓越的电学特性，晶体管阵列中达到了极高的迁移率，亚阈值摆幅接近玻尔兹曼极限。在超短沟道（10 nm以下）器件中，其关键参数，如工作电压、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，均全面超越了当前最尖端的英特尔3纳米节点技术。2025年7月18日，一项研究成果在《科学》杂志上发表，其标题为“集成电子学领域应用的二维硒化铟晶圆”。
文章指出，人工智能和物联网等前沿技术对计算机算力的需求正以指数速度增长，这使得传统的基于硅的晶体管技术在10纳米以下的工艺节点上接近了物理极限，这对芯片在性能、能效和集成度方面的持续进步造成了严重阻碍。鉴于此，迫切需要研发新型的半导体沟道材料，以打破硅基技术的瓶颈，从而支持下一代集成电路的不断进步。
具有原子级别薄度的二维半导体因其在厚度和电学性能上的卓越表现，吸引了众多关注。但是，由于它的固有物理特性（例如，电子有效质量相对较大、热速度较低）以及制备过程中难以控制的挑战，目前主流的二维材料晶圆在大规模集成器件的应用上，与先进的硅基器件相比，还存在一定的差距。
在众多备选材料中，硒化铟（InSe）凭借其低电子有效质量、高速的热传导性能以及适宜的带隙等卓越特点，被普遍视为超越硅性能的有力竞争者，甚至被诺贝尔奖得主Andre Geim教授赞誉为“黄金半导体”。硒化铟的理论性能不仅明显超越了硅，还超过了MoS2、WS2等常见的二维半导体材料。目前，这一原型器件已初步得到验证。但遗憾的是，在晶圆集成制造环节中，它所面临的“瓶颈”问题一直未能得到有效解决，这成为了制约其广泛应用的症结所在。目前，高质量InSe样品的获取主要依赖于机械剥离技术，其产量和尺寸都受到了限制，因而只能停留在实验室的研究阶段，距离满足集成电路制造所需的晶圆级规模和质量标准还相去甚远。
目前，尽管我们可以利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）等薄膜制备技术来培养晶圆级InSe薄膜，然而，这些薄膜的晶体品质和电学特性依然不够理想，与理论上的预期相比，存在较大差距。其材料制备面临的主要挑战包括：（1）In–Se体系包含多种热力学上稳定的相态，例如InSe、In2Se3、In4Se3、In6Se7等，即便是微小的化学计量误差也能引发相变，进而降低相的纯度，并导致器件性能的不稳定。（2）在高温条件下，铟和硒的蒸气压差异达到了七个数量级，这种差异极大地干扰了生长过程中的计量平衡，从而限制了晶体质量的进一步提高。因此，要实现纯净且品质卓越的InSe晶圆，这是促进其向器件化应用发展的核心所在。
图 1 展示了一种创新的“固-液-固”生长方法，旨在制备出晶圆级的高质量 InSe 晶膜。
面对这些困难，研究团队巧妙地提出了“固-液-固”二维 InSe 半导体的制备方法，这一策略有效地解决了晶圆级 InSe 材料在纯相和高质量制备方面的重要难题。具体来说，他们首先运用磁控溅射技术，在蓝宝石衬底上成功沉积了非晶态 InSe 薄膜，并确保了前驱体的化学计量比达到了1:1的精确比例。之后，在超过550摄氏度的高温环境中，通过使用熔点大约为157摄氏度的低熔点液态In对晶片边缘进行包覆，并与熔融石英相结合，以此构建液封区域，以此手段阻止成分的蒸发。此外，在高温条件下，少量的In原子会进入固态的InSe非晶薄膜中，进而形成富含In的液态界面。在密闭的反应容器内，非晶态的 InSe 材料在富含 In 元素的液态交界处经历了溶解与再结晶的连续变化，这一过程有效地推动了高结晶度、纯净相的 InSe 晶膜的生成。经过努力，研究团队成功制备出了厚度一致、相结构单一、晶体品质卓越的直径达 2 英寸的 InSe 晶圆。
该策略所生产的InSe晶圆晶体管阵列在性能上显著超越了现有报道的所有二维薄膜电子器件，其特点包括极高的迁移率，平均值为287 cm²/V s，以及接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅，平均低至67 mV / Dec。除此之外，在10纳米沟道的InSe器件中，其工作电压、栅极长度、DIBL、有效质量、开关比以及室温弹道率等关键性能方面，均实现了对英特尔3纳米节点的超越。同时，该器件的延迟时间以及功耗延迟积（EDP）也均超过了硅技术在2037年IRDS路线图中预测的极限水平。
该成果成功攻克了二维InSe晶圆制备的关键难题，为高性能、低功耗的新一代晶体管技术奠定了坚实的材料基础。展望未来，以这类二维InSe晶圆为基础的集成电子系统，有望在人工智能、自动驾驶、智能终端等前沿领域发挥至关重要的作用，成为后摩尔时代计算架构的关键支柱。
图2展示了长沟道（A-C）与短沟道（D-F）InSe晶体管器件所具备的卓越电学特性。
秦彪和姜建峰均为北京大学博士毕业生的论文共同第一作者；北京大学刘开辉教授、邱晨光研究员、姜建峰博士以及中国人民大学刘灿副教授共同担任通讯作者。此外，还有北京大学王恩哥院士、彭练矛院士，苏州实验室的丁峰教授，苏州大学的王璐教授等多位主要合作者参与其中。
该研究项目获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石科学基金会的资金援助，同时得到了北京大学纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室、轻元素先进材料研究中心以及松山湖材料实验室等机构的鼎力相助。
