北京大學劉開輝教授團隊開發(fā)了一種固-液-固(SLS)生長策略,成功制備出5厘米(2英寸)晶圓級高質量二維硒化銦(InSe)半導體薄膜。通過精確控制銦(In)與硒(Se)的1:1化學計量比,并利用液態(tài)銦界面促進非晶薄膜向單晶轉化,解決了傳統(tǒng)方法中相純度低、結晶性差的難題?;谠摬牧?,團隊構建了大規(guī)模集成晶體管陣列,其電學性能全面超越現(xiàn)有硅基及二維薄膜器件。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。相關成果于北京時間 7 月 18 日 以“Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics” 為題發(fā)表于Science期刊。論文通訊作者為北京大學劉開輝教授、姜建峰博士、邱晨光研究員和中國人民大學劉燦副教授,第一作者為秦彪,姜建峰博士。 材料生長突破: 提出 SLS生長機制:在550°C高溫下,通過液態(tài)銦密封反應室,形成富銦液相界面,驅動非晶InSe溶解-再結晶,實現(xiàn)高純度、全晶圓單相InSe薄膜(厚度2.5–30 nm)。 攻克相純度控制:避免In-Se系統(tǒng)中In2Se3等雜相生成,確保化學計量比嚴格為1:1。 器件設計創(chuàng)新: 采用釔(Y)摻雜電極抑制費米能級釘扎,實現(xiàn)超低接觸電阻。 設計高效雙柵結構,結合2.6 nm HfO2介電層,顯著提升柵控效率。 材料特性: 亞閾值擺幅(SS):平均67.3 mV/dec,接近玻爾茲曼極限(60 mV/dec)。 導通電流密度:892 μA/μm(Vds=3 V,柵極長度480 nm),遠超同類器件。 10 nm短溝道器件: 彈道輸運率:78%,電流密度達1.2 mA/μm(@V<sub>DS</sub>=0.8 V)。 能效突破:延遲0.39 ps,能量延遲積(EDP)低至5.27×10-29 J·s/μm,超越2037年硅基技術預測極限。 綜合優(yōu)勢: 在電壓、柵長、DIBL、有效質量、開關比、彈道率六項指標上全面優(yōu)于Intel 3 nm節(jié)點技術。 圖1:InSe晶片生長的SLS策略設計 圖2:InSe薄膜的特性 圖3:二維InSe FET的晶圓級制造和電性能統(tǒng)計。 圖4:InSe FET的短溝道電性能和基準測試 論文地址: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803
高均勻性:晶圓表面粗糙度由非晶態(tài)的415 pm降至37 pm,拉曼光譜及SHG成像證實全區(qū)域單晶結構。
高結晶度:原子級STEM顯示ABC堆疊有序,層間距0.83 nm。
器件性能:
遷移率:平均287 cm2/V·s(峰值347 cm2/V·s),為所有二維半導體薄膜器件最高紀錄。
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