這是2025年6月18日在北京大學物理學院拍攝的基於二維硒化銦半導體晶圓的集成晶體管陣列。新華社發

  新華社北京7月18日電（記者魏夢佳）集成電路是現代信息技術的核心基礎。近年來，隨着硅基芯片性能逐步逼近物理極限，開發新型高性能、低能耗半導體材料，成為全球科技研發熱點。其中，二維層狀半導體材料硒化銦因遷移率高、熱速度快等優良性能，被視為有望打破硅基物理限制的新材料。

  由北京大學、中國人民大學科研人員組成的研究團隊歷經四年攻關，首創一種“蒸籠”新方法，首次在國際上成功實現高質量硒化銦材料的晶圓級集成製造，並研製出核心性能超越3納米硅基芯片的晶體管器件。該成果18日在線發表於《科學》雜誌。

  硒化銦被譽為“黃金半導體”。但長期以來，硒化銦的大面積、高質量製備未能實現，制約着該材料走向大規模集成應用，成為國際半導體領域的一大技術挑戰。

  “要製備高質量、性能好的硒化銦，很關鍵的一步就是要在製備過程中保持硒原子和銦原子數量嚴格達到1:1的比例。”北大物理學院凝聚態物理與材料物理研究所所長劉開輝説。傳統的製備方法，通常利用開放容器加熱硒和銦，但因其“蒸發”速率不同，無法確保二者原子數量達到最優比例，致使製備出的晶體質量不高。

  這是2024年7月3日在北京大學物理學院拍攝的二維硒化銦晶圓製造裝置。新華社發

  為此，研究團隊創造出一種“固-液-固”相變生長新思路：先將簡單製備的低質量、原子排列不規則的非晶硒化銦薄膜，放置於圓形不銹鋼容器裏，再將固態銦放入容器卡槽，蓋蓋密封並將其加熱，升溫後銦形成液態金屬密封圈。這種密封效果“好像在蒸籠邊包上一層紗”。之後，蒸汽態的銦原子被自然“蒸”到薄膜邊緣，形成富銦液態邊界，逐漸“長成”高質量、原子排列規則的硒化銦晶體。

  “這種‘封銦’的做法就好像我們用蒸籠蒸饅頭一樣，將蒸汽封在容器裏，蓋子蓋嚴實，就可保證硒和銦的原子比數量相當，從而長成高質量晶體。硒化銦薄膜就像從‘麵糰’變為‘饅頭’，重量幾乎不變，但內部結構煥然一新。”劉開輝説。

  這一新方法突破了硒化銦從實驗室走向工程化應用的關鍵瓶頸。

  北大電子學院研究員邱晨光説，團隊現已製備出直徑5厘米的硒化銦晶圓，並構建了高性能晶體管大規模陣列，可直接用於集成芯片器件。實驗證明，基於二維硒化銦晶圓的集成器件，其優勢在關鍵電學性能指標與能效方面，分別可達3納米硅基芯片的3倍和10倍。

  《科學》雜誌審稿人評論稱“這是晶體生長領域的一項重要突破”。劉開輝認為，這項新成果為開發新一代高性能、低功耗芯片提供了新路徑，未來有望廣泛應用於人工智能、自動駕駛、智能終端等前沿領域。