中国科学家首创“蒸笼”方法“长出”高性能晶体管新材料

  这是2025年6月18日在北京大学物理学院拍摄的基于二维硒化铟半导体晶圆的集成晶体管阵列。新华社发

  新华社北京7月18日电（记者魏梦佳）集成电路是现代信息技术的核心基础。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。

  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。该成果18日在线发表于《科学》杂志。

  硒化铟被誉为“黄金半导体”。但长期以来，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。

  “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。”北大物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉说。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。

  这是2024年7月3日在北京大学物理学院拍摄的二维硒化铟晶圆制造装置。新华社发

  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。

  这一新方法突破了硒化铟从实验室走向工程化应用的关键瓶颈。

  北大电子学院研究员邱晨光说，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。

  《科学》杂志审稿人评论称“这是晶体生长领域的一项重要突破”。刘开辉认为，这项新成果为开发新一代高性能、低功耗芯片提供了新路径，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。