芯片材料迎来新突破有望让电子设备更快更省电

当我们用手机刷视频、用电脑处理复杂数据时，或许不会想到，支撑这些设备高速运转的芯片正面临“成长的烦恼”。作为芯片核心材料的硅，在尺寸不断缩小至纳米级后，性能提升开始遭遇物理极限。近日，北京大学物理学院教授刘开辉、电子学院研究员邱晨光、博士生姜建峰，中国人民大学副教授刘灿等在《科学》发表的一项研究，为突破这一困境带来了新希望——他们研发的二维硒化铟(InSe)晶圆，让电子器件在高速、低耗的道路上迈出了关键一步。

“我们每天使用的电子设备，性能好坏很大程度取决于芯片中电子的‘奔跑速度’。电子在材料中跑得越快，数据处理就越高效，‘转身’就越灵活，设备能耗就越低。长期以来，硅凭借其稳定性高成为芯片材料的‘主角’，但随着技术发展，它的‘潜能’逐渐见顶。”刘开辉告诉记者。

因此，全球科学家们一直在努力寻找更优秀的“选手”，二维材料因其独特的原子层结构进入视野。邱晨光表示，晶体管沟道越薄，其开关效率越高，功耗就更低，好比水管越窄越容易被阀门关断。而原子级超薄硒化铟就是其中的佼佼者——理论上，它的电子“奔跑速度”是硅的数倍，能耗却更低，被认为是超越硅基电子的潜力选手。不过，此前的硒化铟材料多是实验室里“手工剥离”的微小薄片。要实现大规模应用，必须能制造出大面积、高质量的硒化铟晶圆，这一直是困扰科学界的难题。

高质量的硒化铟晶圆为何难造？

“这要从材料的‘脾气’说起。”刘灿解释道，硒化铟由铟和硒两种元素组成，而它们“性格”差异很大:硒在高温下容易“逃跑”，而铟则相对“稳重”。这导致它们很难按精确比例结合，容易形成“杂质相”，就像面团里混进了石子，影响性能。同时，原子排列是否整齐(结晶度)也至关重要，排列越乱，电子“跑”起来越费劲。

为解决这些问题，研究团队想出了“固—液—固”这个巧妙的策略。他们先做出一片“杂乱无章”的非晶态硒化铟薄膜，然后给它创造一个特殊的密闭环境:用液态铟密封薄膜，在高温下形成一个“富铟液态界面”。就像给杂乱的房间请来整理师，在这个界面上，铟和硒原子重新排列，最终形成了纯相、整齐有序的晶体结构。

通过这种方法，团队成功制备出直径约5厘米的硒化铟晶圆。更令人振奋的是，这片晶圆的“颜值”和“实力”并存:表面光滑度比原来提升了10倍以上，原子排列整齐度达到“单晶”级别，意味着电子可以在其中“畅行无阻”。

“有了好材料，我们立刻制造晶体管进行测试。”刘开辉介绍，结果令人惊喜:这些基于硒化铟晶圆的晶体管，电子“奔跑速度”远超现有二维材料器件。更关键的是“开关特性”，就像电灯开关，好的晶体管应该能快速“开灯”(导电)和“关灯”(绝缘)。测试显示，硒化铟晶体管的“开关灵敏度”接近理论极限值，意味着它能以更低能耗实现快速切换。

团队也对先进节点硒化铟晶体管的极限性能进行了验证。“我们制造的10纳米沟长的硒化铟晶体管，本征开关速度是现有3纳米硅基技术的3倍，能效也提升了一个量级。目前来看，硒化铟晶体管的关键性能指标，已满足国际半导体技术路线图所设定的2037年性能指标。”邱晨光说。

在刘开辉看来，这项研究的意义不止于材料本身。它首次实现了大面积、高质量硒化铟晶圆的可控制备，就像从“手工作坊”升级到“自动化工厂”，为规模化生产奠定了基础。“未来，基于这种材料的芯片可能让电子设备发生质变:手机续航时间大幅延长，电脑运行速度再上台阶，人工智能训练效率更高……甚至在柔性电子、量子计算等前沿领域，硒化铟也有望发挥重要作用。”

《光明日报》