九年科研馬拉松，中國團隊突破黃金半導體集成瓶頸

2025年7月17日，麻省理工學院電子工程與計算機科學系博士后姜建峰以通訊作者兼共同第一作者的身份，與北京大學劉開輝教授團隊攜手發表Science論文，成功攻克了硒化銦半導體集成制造的難題，將二維硒化銦器件從“單器件”推向“晶圓級平臺”，實現了大面積、可集成的二維電子器件，為后摩爾時代的芯片技術開辟了新路徑。今年12月份，姜建峰回到北京大學任教，擔任研究員、博士生導師。

撰文 | 路飛

2025年7月17日，麻省理工學院電子工程與計算機科學系博士后姜建峰以通訊作者兼共同第一作者的身份，與北京大學劉開輝教授團隊攜手發表Science論文，成功攻克了硒化銦半導體集成制造的難題，將二維硒化銦器件從“單器件”推向“晶圓級平臺”，實現了大面積、可集成的二維電子器件，為后摩爾時代的芯片技術開辟了新路徑。

這項研究于2024年11月投稿，2025年5月收到稿件被接受的郵件，至此，姜建峰研究生涯里的一場9年接力式馬拉松終于看到了曙光。

把二維硒化銦從微米量級推向晶圓尺寸是一項了不起的突破。在此之前，他曾于2023年在Nature 上發表一項工作，首次在實驗室中證明單個硒化銦器件的能效已經能夠超越傳統硅基技術。這項兩年前的工作為這一次晶圓級擴展奠定了前期的器件基礎。

姜建峰生活照 | 圖源：本人提供

二維硒化銦——天選“開關”

在人類科技文明的演進歷程中，半導體技術的革新始終扮演著核心驅動力的角色。從人工智能算法的高速迭代到大數據中心的海量信息處理，從智能制造體系的精密調控到萬物互聯網絡的全域覆蓋，所有引領時代的先進技術得以落地，均依賴于集成電路芯片這一現代科技的“核心引擎”。

在本文主角二維半導體材料硒化銦登場之前，我們先來捋一捋半導體工作原理。

芯片儲存與處理信息的核心原理，本質上是通過半導體晶體管的“開關”狀態實現的。每個晶體管可通過柵極的電場控制電流的導通與截止，對應二進制中的“1”和“0”，無數個晶體管的組合狀態便構成了信息的存儲與運算基礎。這種基于“開關”邏輯的工作模式，是整個數字信息時代得以運轉的底層架構。

1947年12月16日，美國貝爾實驗室，威廉?肖克利（William Shockley）、約翰?巴頓（John Bardeen）和沃特?布拉頓（Walter Brattain）這三位科學家成功研制出世界上第一個基于鍺半導體的點接觸式晶體管。這一成果標志著現代半導體產業的誕生，硅基材料憑借其穩定的物理化學特性、成熟的制備工藝以及相對低廉的成本，成為支撐芯片技術迭代的基石。自那以后，硅基芯片通過不斷縮小晶體管尺寸、提升集成度，推動計算性能呈指數級增長，深刻重塑了信息時代的發展格局。

芯片晶體管的演進 | 圖源：姜建峰

然而，當芯片制程工藝逐步逼近原子尺度的物理極限時，延續半個多世紀的摩爾定律正面臨前所未有的挑戰。摩爾定律所預言的“集成電路上可容納的晶體管數目每18至24個月翻一番”，其本質是基于硅基材料在尺寸微縮過程中的性能紅利。但當晶體管柵極長度接近5納米以下時，量子隧穿效應顯著增強，導致漏電率飆升；同時，短溝道效應使得器件閾值電壓急劇波動，嚴重影響芯片的穩定性與能效比。這些物理層面的限制，標志著硅基芯片的發展已進入瓶頸期，其作為“開關”的可靠性與效率難以進一步突破。

在此背景下，具有原子級厚度的二維半導體材料成為突破技術桎梏的關鍵方向，被全球科技界視為“后摩爾時代”的核心候選材料。

二維半導體材料之所以天生適合擔任“開關”角色，源于其獨特的結構與電子特性：一方面，其原子級的超薄厚度（通常僅為幾個原子層）使得柵極能夠更精準地控制溝道中的載流子，實現近乎理想的開關——當“關斷”時，載流子泄露極少，可有效避免電流誤通；當“導通”時，載流子遷移率高，能快速形成穩定電流，這種特性是高效信息處理的核心要求。另一方面，二維半導體的表面無懸掛鍵，化學穩定性優異，可減少界面散射對載流子運動的干擾，確保“開關”動作的快速響應與長期可靠性。

“通俗來說就是，二維半導體不僅更薄、更快，還具有更高的工藝兼容性。”姜建峰表示，“但理想與現實之間仍存在距離。由于二維半導體在物理本征性能、制備質量及工藝可控性方面尚存難點，其整體器件性能仍難以全面超越先進硅基技術。”

2016年，諾貝爾物理學獎得主、曼徹斯特大學教授Andre Geim更是將其譽為“黃金半導體”。“2016年，這是我對硒化銦萌發興趣的起點。”姜建峰回憶道，“2019年讀研期間，我和所在團隊發表了首篇關于硒化銦電子器件的論文。”

從“微米量級”走向“晶圓尺寸”

盡管硒化銦在“理論預言”中展現出十八般武藝，但是否真的能夠被證實在單器件層面超越現有先進的硅基技術，仍然是個謎。

囿于碩士期間山東大學實驗條件有限，姜建峰直到2020年到北京大學讀博，這一塊壓在他心底的石頭才開始松動。

“諾貝爾獎得主Herbert Kroemer說過這樣一句話，界面即是器件。硒化銦沒有發揮出理論性能，其中一個重要原因是因為硒化銦在空氣中容易氧化，并且與金屬接觸會產生顯著的費米能級釘扎，這導致金屬電極與二維半導體之間往往具有較大的接觸電阻。”姜建峰解釋道。

為了克服這一問題，當時姜建峰所在的研究團隊——北京大學彭練矛教授課題組，在金屬和半導體的接觸區采用了摻雜誘導二維相變技術，利用Y（釔）摻雜將半導體硒化銦（InSe）轉化為半金屬Y-InSe，改善了金屬與二維硒化銦之間的接觸，制造了具有歐姆接觸、高柵極效率和接近理想彈道率的超短溝道高性能InSe場效應晶體管，可在0.5V的超低電壓下工作。

彈道硒化銦晶體管 | 圖源：論文

這項工作突破了長期以來阻礙二維電子學發展的關鍵科學瓶頸，首次證實了二維半導體晶體管的性能可以接近理論預測的極限，與當前最先進的硅基晶體管相比，在性能與功耗上更具優勢。這項研究成果于2023年發表于Nature，姜建峰是第一作者，同時入選當年的“中國十大科技進展新聞”“中國高等學校十大科技進展”“中國半導體十大研究進展”“中國重大技術進展”“中國芯片科學十大進展”。

“Nature審稿人在郵件里說‘這毫無疑問是迄今性能最高的二維半導體晶體管’”姜建峰說。

需要補充說明的是，本項研究中使用的硒化銦晶體是通過“古老”的機械剝離法獲得的，即“手撕單晶”。顧名思義，“手撕單晶”就是利用膠帶粘貼層狀單晶材料的表面，然后反復剝離膠帶，利用膠帶的粘力將材料逐層分開，最終得到厚度僅為幾個原子層甚至單原子層的二維晶體。石墨烯的首次成功分離便是使用此法。

機械剝離法雖然能獲得高質量的硒化銦晶體樣品，卻難以實現大面積、可控產出的制備過程，限制了其在大規模集成電路中的實用性。

團隊一直在思考二維半導體能否真正實現大規模、高性能、穩定可靠的集成，并積極尋求“外掛”合作支援。

傳統的燒單晶方式，其核心原理是在精確控制的溫度、壓力、氣氛等環境參數下，使材料的原子或分子按照特定的晶體結構有序排列，形成具有完整周期性的單晶。但是，這種方式在硒化銦上是“失效”的。硒化銦中硒和銦的物理性質差異大，在高溫下硒的蒸汽壓比銦高7個數量級，采用傳統開放容器加熱硒和銦的燒單晶方式，極易導致化學計量比偏離1:1，從而引發雜相，大幅降低材料性能。

“劉開輝老師是研究二維半導體材料生長的專家，他提出了固-液-固生長方法（SLS）”，姜建峰介紹道，“整個過程就像一場精密的‘微觀培育工程’”。在攻關二維硒化銦半導體的研究方面，兩支具有多年材料與器件物理系統性積累的團隊一拍即合，一方負責鉆研電子特性，一方負責鉆研材料生長。

“固-液-固”生長策略，制備晶圓級InSe高質量晶膜，圖源：論文

劉開輝教授團隊的秦彪博士（現為重慶大學物理學院教授）首先采用磁控濺射技術，在藍寶石基底上沉積出一層非晶InSe薄膜。這一步可以想象成用特殊的“噴涂”方式，在堅固的藍寶石“底盤”上，均勻地鋪上一層原子排列雜亂無章的InSe材料。

接著將沉積好非晶InSe薄膜的藍寶石基底放進定制的鋼槽中，然后蓋上熔融石英板，并用液態銦密封邊緣。這里面藏著不少巧妙的設計：銦的熔點只有157℃，在合適的溫度下會變成液態，就像一道“密封膠”，把鋼槽和石英板之間的縫隙堵得嚴嚴實實；而整個裝置在550℃的高溫下進行退火處理時，這種密封設計形成了一個封閉的空間，能有效阻止硒原子的流失。

最后就是關鍵的晶體生長階段，這一步的核心在于富銦液態界面的作用。密度泛函理論計算證實，晶體狀態的InSe比非晶態能量低0.38eV/原子，這意味著晶體狀態是更穩定的。在密封空間內的高溫環境中，富銦的液態界面成為了原子重新排列的“指揮站”，它加速了原子的溶解-再結晶過程。具體來說，非晶InSe薄膜中的原子會先溶解到富銦的液態界面中，就像雜亂的積木被拆開變成零散的零件，然后這些原子在液態界面的引導下，形成整齊的晶體結構。

“我們邊做實驗邊驗證，為了確認固-液-固（SLS）機制的正確性，我們使用掃描透射電鏡（STEM）進行觀測，直接看到了非晶InSe與晶體InSe之間的富銦界面。”姜建峰補充道，“最讓我們興奮的是，基于該晶圓的晶體管陣列展現絕佳性能：平均電子遷移率達287 cm^2/Vs（峰值347 cm^2/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。”

由此，利用固-液-固生長方法成功制備出5厘米直徑的高質量硒化銦晶圓，攻克了晶圓級硒化銦二維材料制備與集成的關鍵難題，實現了二維硒化銦從“微米量級”走向“晶圓尺寸”的重大跨越。

文章投稿后，三位審稿人一輪審稿即全票通過，不吝評價：“采用的生長方法具有高度創新性，解決了純相硒化銦生長的挑戰。”

瞄準后摩爾時代的明星材料

雖然取得了一系列成果，但姜建峰說：“硒化銦從實驗室研究走向工業應用的關鍵一步，只是階段性勝利。”

以集成電路芯片為核心的現代信息處理和人工智能對計算能力的需求愈發迫切，隨著晶體管小型化的繼續和超大規模集成電路（VLSI）的發展，系統級芯片需要將各種功能——邏輯計算、存儲、傳感、顯示與模擬射頻通信等模塊，通過三維先進堆疊的方式集成到一個平臺上，以提供現代信息應用所需的多功能靈活性。“這是我正在做自動駕駛相關芯片的出發點。”姜建峰介紹當下工業界的需求與手頭正在做的研究。

“業內人常說硅基霸權，必須承認的是硅基核心技術仍然掌握在美國手中。我不敢預言二維半導體材料未來多少年會如何如何，但敢肯定的是二維半導體材料是后摩爾時代的明星材料，我希望我們占據先發優勢，抓住在國際上彎道超車的好機會。”

姜建峰于12月從麻省理工學院博士后出站，回到北京大學任教。姜建峰解釋做這個決定的原因是：“彭練矛教授說過一句話，要于國家薄弱之處落地扎根，于時代需要之時挺身而出。”

參考資料

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-023-05819-w

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