硅材料在芯片尺寸缩小至纳米级后性能提升遭遇瓶颈，而近日北京大学刘开辉、邱晨光、姜建峰及中国人民大学刘灿等学者研发的二维硒化铟（InSe）晶圆，为突破这一困境带来曙光。该材料不仅在晶体管关键性能指标上表现出色，满足未来性能标准，还为规模化生产奠定基础，有望推动电子设备及前沿领域发展。
硅材料遇瓶颈，新研究带来希望
当人们使用手机刷视频、电脑处理复杂数据时，芯片作为设备高速运转的支撑，正面临“成长的烦恼”。硅作为芯片核心材料，在尺寸缩小至纳米级后，性能提升开始遭遇物理极限。刘开辉表示：“我们每天使用的电子设备，性能好坏很大程度取决于芯片中电子的“奔跑速度”。电子在材料中跑得越快，数据处理就越高效，“转身”就越灵活（即开关特性越好），设备能耗就越低。长期以来，硅凭借其稳定性高成为芯片材料的“主角”，但随着技术发展，它的“潜能”逐渐见顶。”为此，全球科学家努力寻找新的材料，二维材料因其独特原子层结构进入视野，其中原子级超薄硒化铟被认为是超越硅基电子的潜力选手。然而，此前硒化铟多为实验室“手工剥离”的微小薄片，要实现大规模应用，需制造出大面积、高质量的硒化铟晶圆，这一直是科学界难题。
攻克制备难题，展现卓越性能
硒化铟由铟和硒两种元素组成，因二者“性格”差异大，很难按精确比例结合，且原子排列整齐度也影响性能，所以高质量的硒化铟晶圆难造。刘灿解释道：“硒化铟由铟和硒两种元素组成，而它们“性格”差异很大：硒在高温下容易“逃跑”（蒸气压高），而铟则相对“稳重”。这导致它们很难按精确比例结合，容易形成“杂质相”，就像面团里混进了石子，影响性能。同时，原子排列是否整齐（结晶度）也至关重要，排列越乱，电子“跑”起来越费劲。” 为解决这些问题，研究团队采用“固——液——固”策略，先做出非晶态硒化铟薄膜，再用液态铟密封并在高温下形成“富铟液态界面”，使铟和硒原子重新排列，形成纯相、整齐有序的晶体结构，成功制备出直径约5厘米的硒化铟晶圆，其表面光滑度比原来提升10倍以上，原子排列整齐度达到“单晶”级别。经测试，基于该晶圆的晶体管电子“奔跑速度”（迁移率）远超现有二维材料器件，“开关灵敏度”接近理论极限值，能以更低能耗实现快速切换。邱晨光称：“我们制造的10纳米沟长的硒化铟晶体管，本征开关速度是现有3纳米硅基技术的3倍，能效也提升了一个量级。目前来看，硒化铟晶体管的关键性能指标，已满足国际半导体技术路线图所设定的2037年性能指标。”
奠定规模化基础，展望应用前景
刘开辉认为，这项研究意义重大，首次实现大面积、高质量硒化铟晶圆的可控制备，为规模化生产奠定基础。“未来，基于这种材料的芯片可能让电子设备发生质变：手机续航时间大幅延长，电脑运行速度再上台阶，人工智能训练效率更高……甚至在柔性电子、量子计算等前沿领域，硒化铟也有望发挥重要作用。”
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