當我們用手機刷視頻、用電腦處理複雜數據時，或許不會想到，支撐這些設備高速運轉的芯片正面臨“成長的煩惱”。作爲芯片核心材料的硅，在尺寸不斷縮小至納米級後，性能提升開始遭遇物理極限。近日，北京大學物理學院教授劉開輝、電子學院研究員邱晨光、博士生薑建峯，中國人民大學副教授劉燦等在《科學》發表的一項研究，爲突破這一困境帶來了新希望——他們研發的二維硒化銦（InSe）晶圓，讓電子器件在高速、低耗的道路上邁出了關鍵一步。
“我們每天使用的電子設備，性能好壞很大程度取決於芯片中電子的‘奔跑速度’（遷移率）。電子在材料中跑得越快，數據處理就越高效，‘轉身’就越靈活（即開關特性越好），設備能耗就越低。長期以來，硅憑藉其穩定性高成爲芯片材料的‘主角’，但隨着技術發展，它的‘潛能’逐漸見頂。”劉開輝告訴記者。
因此，全球科學家們一直在努力尋找更優秀的“選手”，二維材料因其獨特的原子層結構進入視野。邱晨光表示，晶體管溝道越薄，其開關效率越高，功耗就更低，好比水管越窄越容易被閥門關斷。而原子級超薄硒化銦就是其中的佼佼者——理論上，它的電子“奔跑速度”是硅的數倍，能耗卻更低，被認爲是超越硅基電子的潛力選手。不過，此前的硒化銦材料多是實驗室裏“手工剝離”的微小薄片。要實現大規模應用，必須能製造出大面積、高質量的硒化銦晶圓，這一直是困擾科學界的難題。
“這要從材料的‘脾氣’說起。”劉燦解釋道，硒化銦由銦和硒兩種元素組成，而它們“性格”差異很大：硒在高溫下容易“逃跑”（蒸氣壓高），而銦則相對“穩重”。這導致它們很難按精確比例結合，容易形成“雜質相”，就像麪糰裏混進了石子，影響性能。同時，原子排列是否整齊（結晶度）也至關重要，排列越亂，電子“跑”起來越費勁。
爲解決這些問題，研究團隊想出了“固—液—固”這個巧妙的策略。他們先做出一片“雜亂無章”的非晶態硒化銦薄膜，然後給它創造一個特殊的密閉環境：用液態銦密封薄膜，在高溫下形成一個“富銦液態界面”。就像給雜亂的房間請來整理師，在這個界面上，銦和硒原子重新排列，最終形成了純相、整齊有序的晶體結構。
通過這種方法，團隊成功製備出直徑約5釐米的硒化銦晶圓。更令人振奮的是，這片晶圓的“顏值”和“實力”並存：表面光滑度比原來提升了10倍以上，原子排列整齊度達到“單晶”級別，意味着電子可以在其中“暢行無阻”。
“有了好材料，我們立刻製造晶體管進行測試。”劉開輝介紹，結果令人驚喜：這些基於硒化銦晶圓的晶體管，電子“奔跑速度”遠超現有二維材料器件。更關鍵的是“開關特性”，就像電燈開關，好的晶體管應該能快速“開燈”（導電）和“關燈”（絕緣）。測試顯示，硒化銦晶體管的“開關靈敏度”接近理論極限值，意味着它能以更低能耗實現快速切換。
團隊也對先進節點硒化銦晶體管的極限性能進行了驗證。“我們製造的10納米溝長的硒化銦晶體管，本徵開關速度是現有3納米硅基技術的3倍，能效也提升了一個量級。目前來看，硒化銦晶體管的關鍵性能指標，已滿足國際半導體技術路線圖所設定的2037年性能指標。”邱晨光說。
在劉開輝看來，這項研究的意義不止於材料本身。它首次實現了大面積、高質量硒化銦晶圓的可控制備，就像從“手工作坊”升級到“自動化工廠”，爲規模化生產奠定了基礎。“未來，基於這種材料的芯片可能讓電子設備發生質變：手機續航時間大幅延長，電腦運行速度再上臺階，人工智能訓練效率更高……甚至在柔性電子、量子計算等前沿領域，硒化銦也有望發揮重要作用。”
