北大、人大，携手发Science

2025年7月17日，北京大学刘开辉教授、邱晨光研究员、姜建峰博士，中国人民大学刘灿副教授为共同通讯作者在全球顶级科研期刊《Science》发表了题为“Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics”的研究论文。北京大学为论文第一完成单位。北京大学博士毕业生秦彪、姜建峰为论文共同第一作者。

北京大学科研团队首次实现了高质量二维硒化铟（InSe）半导体晶圆的制备。该材料展现出优异的电学性能，在晶体管阵列中实现了极高的迁移率与接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅，并在超短沟道（10 nm以下）器件中，其关键参数—包括工作电压、栅极长度、漏致势垒降低（DIBL）、电子有效质量、开/关比和室温弹道率等，全面优于目前最先进的英特尔3纳米节点技术。

集成电路是现代社会信息智能处理的基石。 然而，随着硅基芯片性能日益逼近物理极限，寻找兼具更高性能与更低能耗的新一代半导体技术，成为全球科技竞争的战略前沿。在这一背景下，二维半导体凭借其原子级超薄结构与卓越的电学性能，近年来成为国际研发焦点，备受业界机构和高校关注。全球芯片头部企业台积电、英特尔、三星等均重点布局二维技术研发，竞逐这一未来产业的战略制高点。新型二维硒化铟材料具有比硅更小的有效质量和更高的迁移率和热速度，理论上有潜力在亚1纳米技术节点上实现更好速度和功耗。前期2023年，电子学院邱晨光研究员-彭练矛教授团队制备出“超越硅极限的弹道二维硒化铟晶体管”（Nature 616, 470–475, 2023, ESI热点论文，谷歌引用270次，入选中国十大科技进展新闻，中国高等学校十大科技进展等），首次将二维硒化铟晶体管的性能推进到业界标准。然而，要将低维芯片技术从实验室推向业界，使晶体管迈向规模集成芯片，则需要将低维半导体材料的晶圆制备和器件电路集成加工两个关键环节相互打通。

图1. 发展全新“固-液-固”生长策略，制备晶圆级InSe高质量晶膜

本工作中北京大学电子学院邱晨光课题组构建出高性能硒化铟晶圆集成晶体管阵列，依托于物理学院刘开辉教授团队首次实现的高结晶质量、纯相结构的晶圆级硒化铟薄膜，邱晨光课题组通过对晶体管的栅堆垛、接触、和沟道等核心参数的协同优化，实现了国际上基于气相沉积晶圆所制备出的最高性能二维晶体管。展现出高达287 cm²/V·s的平均迁移率，接近玻尔兹曼极限的关态性能，以及78% 的弹道率，刷新同类二维半导体器件的最高记录。核心本征电学指标超越了当前业界最先进的3纳米硅基器件，制备的10纳米短沟道二维硒化铟晶体管的本征延迟降低3倍，能量延迟积下降一个数量级，满足国际半导体技术路线图2037年的性能指标，有潜力构建未来更高能效的亚1纳米节点芯片。更为重要的是，由于二维硒化铟中电子具有高热速度，因此仅用0.5V的超低电压就能实现晶体管的标准开关转换。这意味着有希望将未来芯片能耗降低到当前的1/3, 有望大幅度降低当前大数据智能计算所带来的巨大能耗。

图2. 长沟道（A-C）和短沟道（D-F）InSe晶体管器件优异的电学性能

下一步，联合团队将继续发挥电子学和材料学的互补特长优势，推动二维硒化铟半导体技术从集成晶体管迈向芯片级功能应用，有潜力未来在人工智能、云计算、6G通信等前沿领域发挥关键作用。