隨著人工智能和物聯網技術發展，計算能力需求激增。然而，硅基晶體管技術在亞10納米節點逼近物理極限，芯片性能、能效和集成密度提升受阻。以硒化銦（InSe）為代表的二維半導體因其低有效質量（0.14m?）、高熱速度（>13 cm/s）和高理論遷移率（室溫1000 cm²/Vs），有望突破硅的局限。但現有晶圓級InSe薄膜的結晶性和純度不足，性能遠遜于微米級剝離薄片，制約了其規模化應用。

北京大學劉開輝教授領銜的聯合團隊，率先突破了二維半導體晶圓級集成制造的關鍵瓶頸，成功研制出關鍵性能超越3 納米節點硅基芯片的“晶圓級二維硒化銦集成器件”，這也是國際上迄今能效最高的集成二維晶體管，標志著我國在新一代高性能芯片材料研究方面取得了里程碑式突破。

團隊開發出一種固-液-固（SLS）生長策略，成功制備出5厘米直徑的高質量硒化銦晶圓。該方法通過液態銦密封非晶InSe薄膜，在550°C高溫下維持嚴格的1:1銦硒化學計量比，利用富銦液態界面促進非晶向單晶轉化。基于該晶圓的晶體管陣列展現出創紀錄性能：平均電子遷移率達287 cm²/Vs（峰值347 cm²/Vs），亞閾值擺幅低至67.3 mV/dec（接近玻爾茲曼極限），遠超現有二維薄膜器件水平。

相關論文以“Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronies”為題，發表在Science雜志。北京大學物理學院劉開輝教授、北京大學電子學院姜建峰博士、邱晨光研究員和中國人民大學物理學院劉燦副教授為論文通訊作者，北京大學博士畢業生秦彪和姜建峰博士為論文共同第一作者。北京大學物理學院王恩哥院士、北京大學電子學院彭練矛院士和以及深圳理工大學丁峰教授為本工作提供了重要指導和支持。

固-液-固生長機制設計

研究團隊首先采用磁控濺射在藍寶石基底上沉積非晶InSe薄膜（圖1A）。創新性地將其置于定制鋼槽中，覆蓋熔融石英板，并用液態銦（熔點157°C）密封邊緣（圖1B）。這種設計在550°C退火時形成密封空間，阻止硒原子流失。密度泛函理論計算證實，晶體InSe比非晶態能量低0.38 eV/原子，而富銦液態界面加速了原子溶解-再結晶過程（圖1C-D）。掃描透射電鏡（STEM）直接觀測到非晶與晶體InSe間的富銦界面（圖1E），驗證了SLS機制。

圖1：硒化銦晶圓固-液-固生長策略設計 (A) 通過磁控濺射在單晶藍寶石基底上沉積非晶硒化銦薄膜。 (B) 退火裝置示意圖（適用于5厘米晶圓）：鋼基座中心凹槽放置晶圓，外圍凹槽（深1mm）容納液態銦，頂部覆蓋熔融石英板。液態銦用于密封硒化銦晶圓。 (C) 圖B中固-液-固生長機制放大圖：液態銦蒸發形成非晶與晶體硒化銦間的富銦界面，非晶態在此界面持續轉化為晶體薄膜。 (D) 固-液-固演化示意圖：實驗溫度（Texp = 550°C）下，僅富銦界面為液態，通過增強原子擴散和降低形成能促進再結晶。 (E) 截面STEM圖像及對應FFT圖譜：顯示非晶區與晶體硒化銦間的富銦界面。

晶圓均勻性與結晶質量表征

通過SLS策略制備的InSe薄膜表面粗糙度從非晶態的415 pm降至37 pm，顯示高度結晶化（圖2B）。12個采樣點的拉曼光譜高度一致（圖2C-D），證實5厘米晶圓全域均勻性。氫刻蝕后呈現方向一致的三角形孔洞（圖2E），結合偏振依賴二次諧波（SHG）成像（圖2F-G）和勞厄X射線衍射（圖2H），證明其為大面積單晶。原子尺度表征（圖2I-K）進一步顯示清晰的ABC堆疊序和0.83 nm層間距，確認了薄膜的高結晶質量。

圖2：硒化銦薄膜表征 (A) 生長于5厘米藍寶石基底上的10nm硒化銦薄膜照片（置于鋼基座中）。 (B) 原子力顯微鏡粗糙度（高度標準差）圖像：（上）非晶硒化銦，（下）晶體硒化銦。 (C) 5厘米晶圓上12個代表性區域的硒化銦薄膜光學圖像（尺寸相同）。 (D) 對應(C)區域標記點的拉曼光譜，表明薄膜均勻性。 (E) 氫刻蝕后硒化銦薄膜的光學圖像：刻蝕孔均為同向三角形。 (F) 對應(E)區域的偏振依賴二次諧波（SHG）圖譜。 (G) 硒化銦薄膜的SHG強度分布圖。 (H) 四個不同位置的勞厄X射線衍射（LXD）圖譜（X光斑尺寸~0.2mm）。 (I) 選區電子衍射（SAED）圖譜（入射帶軸[001]）。 (J) 硒化銦薄膜的面內HAADF-STEM圖像。 (K) 藍寶石基底上硒化銦的截面HAADF-STEM圖像（顯示ABC堆疊序）。 

晶體管陣列性能統計

團隊在藍寶石基底上直接構建晶圓級InSe場效應晶體管陣列。采用釔（Y）摻雜接觸金屬化抑制費米能級釘扎，結合2.6 nm氧化鉿（HfO?）頂柵介質（圖3A-B）。典型器件在480 nm柵長下飽和電流密度達892 μA/μm（圖3C）。100個器件的統計顯示：平均遷移率287 cm²/Vs（圖3E），亞閾值擺幅（SS）67.3 mV/dec，閾值電壓0.31 V，電導369 μS/μm（圖3F-H）。性能比較圖（圖3I）表明其遷移率和開關速度全面領先現有二維薄膜器件。

圖3：晶圓級二維硒化銦場效應晶體管制備與電學性能統計 (A) 釔摻雜接觸金屬化的晶圓級硒化銦FET示意圖（紫/綠/藍球：銦/硒/釔原子）。 (B) （上）藍寶石上頂柵晶體管陣列的偽彩SEM圖像；（下）典型480nm柵長器件的截面STEM圖像。 (C) 480nm柵長硒化銦FET的典型輸出特性曲線。 (D) 100個獨立器件的轉移特性曲線（VDS=0.1V）。 (E) 100個器件的場效應遷移率統計直方圖。 (F-H) 100個器件的統計分布：（F）亞閾值擺幅SS（均值67.3 mV/dec）；（G）閾值電壓VTH（均值0.31V）；（H）電導σ（均值369 μS/μm）；虛線為高斯擬合曲線。 (I) 本工作器件（紅星）與其他二維薄膜器件（空心符號）的遷移率-SS性能對比。 

短溝道器件性能超越硅極限

10納米柵長InSe晶體管（圖4A）采用雙柵結構（圖4B），在0.8V源漏電壓下實現1.2 mA/μm飽和電流密度（圖4E）。其開態電流與開關比超越同類二維器件兩個數量級（圖4D）。雷達圖（圖4F）顯示六項關鍵參數（工作電壓、柵長、DIBL、有效質量、開關比、彈道率）均優于英特爾3納米節點技術。器件本征柵延遲僅0.39 ps，能耗延遲積低至5.27×10^-29 J·s/μm（圖4G），突破國際器件與系統路線圖（IRDS）對硅技術2037年的預測極限。

圖4：短溝道硒化銦晶體管性能與基準對比 (A) 10nm柵長彈道式三層硒化銦FET的俯視SEM圖像。 (B) （上）高效雙柵結構的彈道式器件截面STEM圖；（下）EELS元素分布圖（金/釔/鈦/鉿/銦），確認二維溝道、電極及柵堆疊位置。 (C) 典型10nm柵長雙柵硒化銦FET的轉移特性曲線。 (D) 本工作彈道式雙柵器件（紅星）與其他短溝道（LG< 50nm）二維器件（淺藍區域）的開態電流-開關比對比（定義于0.5V窗口）。 (E) 10nm柵長彈道式硒化銦FET的輸出特性曲線。 (F) 雷達圖：本工作器件（紅）與英特爾3nm節點及前沿二維薄膜晶體管的六項參數對比（工作電壓、柵長、DIBL、有效質量、開關比、彈道率Bsat）。 (G) 本工作無重疊結構彈道式器件（紅）與硅技術的（左）本征柵延遲和（右）能耗延遲積（EDP）縮放趨勢對比（虛線為IRDS 2037年預測極限）。

應用前景

該研究開發的固-液-固生長策略解決了二維硒化銦晶圓制備的核心難題，為后硅時代集成電路提供了高性能材料平臺。其彈道晶體管在能耗和速度上突破硅基技術理論極限，有望推動下一代低功耗、高性能計算與通信芯片發展。