北京大學(xué)在低維芯片領(lǐng)域再獲突破性進(jìn)展。電子學(xué)院邱晨光研究員課題組與物理學(xué)院劉開輝教授課題組、中國人民大學(xué)劉燦副教授課題組通力合作，攻克了高質(zhì)量純相二維硒化銦晶圓生長難題，并成功研制出核心性能超越3納米硅基技術(shù)的低維晶體管，為國際上迄今能效最高的規(guī)模集成二維晶體管陣列，為實(shí)現(xiàn)高性能亞1納米節(jié)點(diǎn)低維芯片奠定了材料和器件基礎(chǔ)。這一突破性成果于2025年7月18日在線發(fā)表于《科學(xué)》。標(biāo)題 “Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics”，原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803
集成電路是現(xiàn)代社會(huì)信息智能處理的基石。 然而，隨著硅基芯片性能日益逼近物理極限，尋找兼具更高性能與更低能耗的新一代半導(dǎo)體技術(shù)，成為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略前沿。在這一背景下，二維半導(dǎo)體憑借其原子級(jí)超薄結(jié)構(gòu)與卓越的電學(xué)性能，近年來成為國際研發(fā)焦點(diǎn)，備受業(yè)界機(jī)構(gòu)和高校關(guān)注。全球芯片頭部企業(yè)臺(tái)積電、英特爾、三星等均重點(diǎn)布局二維技術(shù)研發(fā)，競(jìng)逐這一未來產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。新型二維硒化銦材料具有比硅更小的有效質(zhì)量和更高的遷移率和熱速度，理論上有潛力在亞1納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)更好速度和功耗。前期2023年，電子學(xué)院邱晨光研究員-彭練矛教授團(tuán)隊(duì)制備出“超越硅極限的彈道二維硒化銦晶體管”（Nature 616, 470–475, 2023, ESI熱點(diǎn)論文，谷歌引用270次，入選中國十大科技進(jìn)展新聞，中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展等），首次將二維硒化銦晶體管的性能推進(jìn)到業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。然而，要將低維芯片技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向業(yè)界，使晶體管邁向規(guī)模集成芯片，則需要將低維半導(dǎo)體材料的晶圓制備和器件電路集成加工兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)相互打通。
本工作中北京大學(xué)電子學(xué)院邱晨光課題組構(gòu)建出高性能硒化銦晶圓集成晶體管陣列，依托于物理學(xué)院劉開輝教授團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)的高結(jié)晶質(zhì)量、純相結(jié)構(gòu)的晶圓級(jí)硒化銦薄膜，邱晨光課題組通過對(duì)晶體管的柵堆垛、接觸、和溝道等核心參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了國際上基于氣相沉積晶圓所制備出的最高性能二維晶體管。展現(xiàn)出高達(dá)287 cm2/V·s的平均遷移率，接近玻爾茲曼極限的關(guān)態(tài)性能，以及78% 的彈道率，刷新同類二維半導(dǎo)體器件的最高記錄。核心本征電學(xué)指標(biāo)超越了當(dāng)前業(yè)界最先進(jìn)的3納米硅基器件，制備的10納米短溝道二維硒化銦晶體管的本征延遲降低3倍，能量延遲積下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖2037年的性能指標(biāo)，有潛力構(gòu)建未來更高能效的亞1納米節(jié)點(diǎn)芯片。更為重要的是，由于二維硒化銦中電子具有高熱速度，因此僅用0.5V的超低電壓就能實(shí)現(xiàn)晶體管的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)轉(zhuǎn)換。這意味著有希望將未來芯片能耗降低到當(dāng)前的1/3, 有望大幅度降低當(dāng)前大數(shù)據(jù)智能計(jì)算所帶來的巨大能耗。
下一步，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)發(fā)揮電子學(xué)和材料學(xué)的互補(bǔ)特長優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)二維硒化銦半導(dǎo)體技術(shù)從集成晶體管邁向芯片級(jí)功能應(yīng)用，有潛力未來在人工智能、云計(jì)算、6G通信等前沿領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。
北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝教授、電子學(xué)院邱晨光研究員、姜建峰博士，中國人民大學(xué)物理學(xué)院劉燦副教授為論文通訊作者，北京大學(xué)畢業(yè)生秦彪博士和姜建峰博士為論文共同第一作者。北京大學(xué)彭練矛院士、王恩哥院士對(duì)工作給予重要指導(dǎo)，納米器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張志勇教授給予關(guān)鍵平臺(tái)支持。主要合作者還包括蘇州實(shí)驗(yàn)室丁峰教授、北京大學(xué)電子學(xué)院張宸熙博士、畢業(yè)生徐琳博士等。研究工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、騰訊科學(xué)探索獎(jiǎng)等資助，以及北大電子學(xué)院微納平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室提供了器件加工支持。
二維硒化銦晶圓集成晶體管結(jié)構(gòu)與電學(xué)特性
