九年科研马拉松，中国团队突破黄金半导体集成瓶颈

2025年7月17日，麻省理工学院电子工程与计算机科学系博士后姜建峰以通讯作者兼共同第一作者的身份，与北京大学刘开辉教授团队携手发表Science论文，成功攻克了硒化铟半导体集成制造的难题，将二维硒化铟器件从“单器件”推向“晶圆级平台”，实现了大面积、可集成的二维电子器件，为后摩尔时代的芯片技术开辟了新路径。今年12月份，姜建峰回到北京大学任教，担任研究员、博士生导师。

撰文 | 路飞

2025年7月17日，麻省理工学院电子工程与计算机科学系博士后姜建峰以通讯作者兼共同第一作者的身份，与北京大学刘开辉教授团队携手发表Science论文，成功攻克了硒化铟半导体集成制造的难题，将二维硒化铟器件从“单器件”推向“晶圆级平台”，实现了大面积、可集成的二维电子器件，为后摩尔时代的芯片技术开辟了新路径。

这项研究于2024年11月投稿，2025年5月收到稿件被接受的邮件，至此，姜建峰研究生涯里的一场9年接力式马拉松终于看到了曙光。

把二维硒化铟从微米量级推向晶圆尺寸是一项了不起的突破。在此之前，他曾于2023年在Nature 上发表一项工作，首次在实验室中证明单个硒化铟器件的能效已经能够超越传统硅基技术。这项两年前的工作为这一次晶圆级扩展奠定了前期的器件基础。

姜建峰生活照 | 图源：本人提供

二维硒化铟——天选“开关”

在人类科技文明的演进历程中，半导体技术的革新始终扮演着核心驱动力的角色。从人工智能算法的高速迭代到大数据中心的海量信息处理，从智能制造体系的精密调控到万物互联网络的全域覆盖，所有引领时代的先进技术得以落地，均依赖于集成电路芯片这一现代科技的“核心引擎”。

在本文主角二维半导体材料硒化铟登场之前，我们先来捋一捋半导体工作原理。

芯片储存与处理信息的核心原理，本质上是通过半导体晶体管的“开关”状态实现的。每个晶体管可通过栅极的电场控制电流的导通与截止，对应二进制中的“1”和“0”，无数个晶体管的组合状态便构成了信息的存储与运算基础。这种基于“开关”逻辑的工作模式，是整个数字信息时代得以运转的底层架构。

1947年12月16日，美国贝尔实验室，威廉・肖克利（William Shockley）、约翰・巴顿（John Bardeen）和沃特・布拉顿（Walter Brattain）这三位科学家成功研制出世界上第一个基于锗半导体的点接触式晶体管。这一成果标志着现代半导体产业的诞生，硅基材料凭借其稳定的物理化学特性、成熟的制备工艺以及相对低廉的成本，成为支撑芯片技术迭代的基石。自那以后，硅基芯片通过不断缩小晶体管尺寸、提升集成度，推动计算性能呈指数级增长，深刻重塑了信息时代的发展格局。

芯片晶体管的演进 | 图源：姜建峰

然而，当芯片制程工艺逐步逼近原子尺度的物理极限时，延续半个多世纪的摩尔定律正面临前所未有的挑战。摩尔定律所预言的“集成电路上可容纳的晶体管数目每18至24个月翻一番”，其本质是基于硅基材料在尺寸微缩过程中的性能红利。但当晶体管栅极长度接近5纳米以下时，量子隧穿效应显著增强，导致漏电率飙升；同时，短沟道效应使得器件阈值电压急剧波动，严重影响芯片的稳定性与能效比。这些物理层面的限制，标志着硅基芯片的发展已进入瓶颈期，其作为“开关”的可靠性与效率难以进一步突破。

在此背景下，具有原子级厚度的二维半导体材料成为突破技术桎梏的关键方向，被全球科技界视为“后摩尔时代”的核心候选材料。

二维半导体材料之所以天生适合担任“开关”角色，源于其独特的结构与电子特性：一方面，其原子级的超薄厚度（通常仅为几个原子层）使得栅极能够更精准地控制沟道中的载流子，实现近乎理想的开关——当“关断”时，载流子泄露极少，可有效避免电流误通；当“导通”时，载流子迁移率高，能快速形成稳定电流，这种特性是高效信息处理的核心要求。另一方面，二维半导体的表面无悬挂键，化学稳定性优异，可减少界面散射对载流子运动的干扰，确保“开关”动作的快速响应与长期可靠性。

“通俗来说就是，二维半导体不仅更薄、更快，还具有更高的工艺兼容性。”姜建峰表示，“但理想与现实之间仍存在距离。由于二维半导体在物理本征性能、制备质量及工艺可控性方面尚存难点，其整体器件性能仍难以全面超越先进硅基技术。”

2016年，诺贝尔物理学奖得主、曼彻斯特大学教授Andre Geim更是将其誉为“黄金半导体”。“2016年，这是我对硒化铟萌发兴趣的起点。”姜建峰回忆道，“2019年读研期间，我和所在团队发表了首篇关于硒化铟电子器件的论文。”

从“微米量级”走向“晶圆尺寸”

尽管硒化铟在“理论预言”中展现出十八般武艺，但是否真的能够被证实在单器件层面超越现有先进的硅基技术，仍然是个谜。

囿于硕士期间山东大学实验条件有限，姜建峰直到2020年到北京大学读博，这一块压在他心底的石头才开始松动。

“诺贝尔奖得主Herbert Kroemer说过这样一句话，界面即是器件。硒化铟没有发挥出理论性能，其中一个重要原因是因为硒化铟在空气中容易氧化，并且与金属接触会产生显著的费米能级钉扎，这导致金属电极与二维半导体之间往往具有较大的接触电阻。”姜建峰解释道。

为了克服这一问题，当时姜建峰所在的研究团队——北京大学彭练矛教授课题组，在金属和半导体的接触区采用了掺杂诱导二维相变技术，利用Y（钇）掺杂将半导体硒化铟（InSe）转化为半金属Y-InSe，改善了金属与二维硒化铟之间的接触，制造了具有欧姆接触、高栅极效率和接近理想弹道率的超短沟道高性能InSe场效应晶体管，可在0.5V的超低电压下工作。

弹道硒化铟晶体管 | 图源：论文

这项工作突破了长期以来阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，首次证实了二维半导体晶体管的性能可以接近理论预测的极限，与当前最先进的硅基晶体管相比，在性能与功耗上更具优势。这项研究成果于2023年发表于Nature，姜建峰是第一作者，同时入选当年的“中国十大科技进展新闻”“中国高等学校十大科技进展”“中国半导体十大研究进展”“中国重大技术进展”“中国芯片科学十大进展”。

“Nature审稿人在邮件里说‘这毫无疑问是迄今性能最高的二维半导体晶体管’”姜建峰说。

需要补充说明的是，本项研究中使用的硒化铟晶体是通过“古老”的机械剥离法获得的，即“手撕单晶”。顾名思义，“手撕单晶”就是利用胶带粘贴层状单晶材料的表面，然后反复剥离胶带，利用胶带的粘力将材料逐层分开，最终得到厚度仅为几个原子层甚至单原子层的二维晶体。石墨烯的首次成功分离便是使用此法。

机械剥离法虽然能获得高质量的硒化铟晶体样品，却难以实现大面积、可控产出的制备过程，限制了其在大规模集成电路中的实用性。

团队一直在思考二维半导体能否真正实现大规模、高性能、稳定可靠的集成，并积极寻求“外挂”合作支援。

传统的烧单晶方式，其核心原理是在精确控制的温度、压力、气氛等环境参数下，使材料的原子或分子按照特定的晶体结构有序排列，形成具有完整周期性的单晶。但是，这种方式在硒化铟上是“失效”的。硒化铟中硒和铟的物理性质差异大，在高温下硒的蒸汽压比铟高7个数量级，采用传统开放容器加热硒和铟的烧单晶方式，极易导致化学计量比偏离1:1，从而引发杂相，大幅降低材料性能。

“刘开辉老师是研究二维半导体材料生长的专家，他提出了固-液-固生长方法（SLS）”，姜建峰介绍道，“整个过程就像一场精密的‘微观培育工程’”。在攻关二维硒化铟半导体的研究方面，两支具有多年材料与器件物理系统性积累的团队一拍即合，一方负责钻研电子特性，一方负责钻研材料生长。

“固-液-固”生长策略，制备晶圆级InSe高质量晶膜，图源：论文

刘开辉教授团队的秦彪博士（现为重庆大学物理学院教授）首先采用磁控溅射技术，在蓝宝石基底上沉积出一层非晶InSe薄膜。这一步可以想象成用特殊的“喷涂”方式，在坚固的蓝宝石“底盘”上，均匀地铺上一层原子排列杂乱无章的InSe材料。

接着将沉积好非晶InSe薄膜的蓝宝石基底放进定制的钢槽中，然后盖上熔融石英板，并用液态铟密封边缘。这里面藏着不少巧妙的设计：铟的熔点只有157℃，在合适的温度下会变成液态，就像一道“密封胶”，把钢槽和石英板之间的缝隙堵得严严实实；而整个装置在550℃的高温下进行退火处理时，这种密封设计形成了一个封闭的空间，能有效阻止硒原子的流失。

最后就是关键的晶体生长阶段，这一步的核心在于富铟液态界面的作用。密度泛函理论计算证实，晶体状态的InSe比非晶态能量低0.38eV/原子，这意味着晶体状态是更稳定的。在密封空间内的高温环境中，富铟的液态界面成为了原子重新排列的“指挥站”，它加速了原子的溶解-再结晶过程。具体来说，非晶InSe薄膜中的原子会先溶解到富铟的液态界面中，就像杂乱的积木被拆开变成零散的零件，然后这些原子在液态界面的引导下，形成整齐的晶体结构。

“我们边做实验边验证，为了确认固-液-固（SLS）机制的正确性，我们使用扫描透射电镜（STEM）进行观测，直接看到了非晶InSe与晶体InSe之间的富铟界面。”姜建峰补充道，“最让我们兴奋的是，基于该晶圆的晶体管阵列展现绝佳性能：平均电子迁移率达287 cm^²/Vs（峰值347 cm^²/Vs），亚阈值摆幅低至67.3 mV/dec（接近玻尔兹曼极限），远超现有二维薄膜器件水平。”

由此，利用固-液-固生长方法成功制备出5厘米直径的高质量硒化铟晶圆，攻克了晶圆级硒化铟二维材料制备与集成的关键难题，实现了二维硒化铟从“微米量级”走向“晶圆尺寸”的重大跨越。

文章投稿后，三位审稿人一轮审稿即全票通过，不吝评价：“采用的生长方法具有高度创新性，解决了纯相硒化铟生长的挑战。”

瞄准后摩尔时代的明星材料

虽然取得了一系列成果，但姜建峰说：“硒化铟从实验室研究走向工业应用的关键一步，只是阶段性胜利。”

以集成电路芯片为核心的现代信息处理和人工智能对计算能力的需求愈发迫切，随着晶体管小型化的继续和超大规模集成电路（VLSI）的发展，系统级芯片需要将各种功能——逻辑计算、存储、传感、显示与模拟射频通信等模块，通过三维先进堆叠的方式集成到一个平台上，以提供现代信息应用所需的多功能灵活性。“这是我正在做自动驾驶相关芯片的出发点。”姜建峰介绍当下工业界的需求与手头正在做的研究。

“业内人常说硅基霸权，必须承认的是硅基核心技术仍然掌握在美国手中。我不敢预言二维半导体材料未来多少年会如何如何，但敢肯定的是二维半导体材料是后摩尔时代的明星材料，我希望我们占据先发优势，抓住在国际上弯道超车的好机会。”

姜建峰于12月从麻省理工学院博士后出站，回到北京大学任教。姜建峰解释做这个决定的原因是：“彭练矛教授说过一句话，要于国家薄弱之处落地扎根，于时代需要之时挺身而出。”

参考资料

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

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

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