近日，由北京大学和中国人民大学等组成的联合团队，在国际顶级期刊《Science》发表题为 “Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics” 的研究成果，创新性的提出固-液-固（SLS）独特生长策略，首次成功制备出高质量晶圆级纯相二维硒化铟（InSe）薄膜，并基于该晶圆构建出性能超过业界硅基指标的二维晶体管阵列，为未来亚1纳米节点集成电路的发展提供了关键半导体材料的支撑。
随着人工智能与物联网技术的飞速发展，传统硅基晶体管在纳米节点正逼近物理极限，芯片性能、能效与集成密度的提升遭遇瓶颈。二维原子级薄层半导体因独特结构特性，被视为亚1纳米技术节点的核心候选材料。其中，InSe凭借低电子有效质量、高迁移率及适宜带隙等优势，理论上具备超越硅基器件的潜力。此前，机械剥离的微米级InSe薄片已展现卓越性能，但规模化集成电路应用则依赖大尺寸高质量晶圆，而现有常规制备技术产出的InSe薄膜性能不佳，未能达到业界芯片级的质量要求。
高质量InSe薄膜生长面临两大挑战：一是In-Se体系存在InSe、In2Se3等多种稳定相，在生长过程中的轻微组分波动即引发相变，导致性能劣化；二是硒在500℃左右的蒸气压比铟高约七个数量级，难以维持化学计量平衡，结晶质量受限。
为解决这些问题，研究团队首创了固-液-固生长策略：通过磁控溅射在蓝宝石衬底上沉积非晶 InSe 薄膜，将其密封于特制钢槽中，边缘以液态铟（熔点约 157℃）密封，在 550℃高温下形成富铟液态界面。该界面促使非晶InSe中的原子快速溶解并重新结晶，同时严格维持铟硒1:1的化学计量比，最终转化为纯相、高结晶度的InSe晶圆。
团队制备的 InSe 晶圆直径达5厘米，薄膜厚度可在2.5纳米（三层）至30纳米之间大范围精准调控，表面粗糙度从非晶态的415皮米降至晶态的37皮米，展现出优异的晶圆级均匀性。通过氢蚀刻、偏振依赖二次谐波产生等表征手段，证实其具备大面积单晶结构与高结晶度。
基于该晶圆制备的集成晶体管阵列性能卓越：室温下平均迁移率达 287 cm²/V・s，峰值 347 cm²/V・s，远超现有二维薄膜器件；亚阈值摆幅平均 67.3 mV/decade，接近玻尔兹曼极限（60 mV/decade），开关特性优异。在栅长480纳米的器件中，饱和电流密度达 892 μA/μm，显著高于同类器件。
针对先进技术节点芯片需求，基于该高质量硒化铟晶圆，团队进一步制备出沟道长度 10 纳米的 InSe 晶体管，采用钇掺杂接触与双栅结构提升性能。该器件开关电流比超 10⁷，亚阈值摆幅低至 79 mV/decade，并且该晶体管可在0.5V 的超低电压下工作。所制备的短沟道InSe 晶体管达到78%的弹道率，延迟低至 0.39 皮秒，能量延迟积（EDP）达 5.27×10⁻29 J・s/μm，满足国际半导体技术路线图2037年的性能指标，有潜力构建未来更高能效的亚1纳米节点芯片。
该研究首次实现晶圆级高质量 InSe 薄膜的可控制备，其晶体管性能在迁移率、能效等关键指标上超越现有技术，为突破硅基限制、推动下一代低功耗、高集成度集成电路发展提供了可行的材料和器件基础。未来，基于此类二维InSe晶圆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关键作用。
图1 基于二维硒化铟半导体晶圆的集成晶体管阵列
北京大学博士毕业生秦彪、姜建峰为论文共同第一作者；北京大学刘开辉教授、邱晨光研究员、姜建峰博士，中国人民大学刘灿副教授为共同通讯作者。其他主要合作者还包括北京大学王恩哥院士、彭练矛院士，苏州实验室丁峰教授，苏州大学王璐教授等。
研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石科学基金会等相关项目及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的大力支持。
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803
