北京大学在低维芯片领域再获突破性进展。电子学院邱晨光研究员课题组与物理学院刘开辉教授课题组、中国人民大学刘灿副教授课题组通力合作，攻克了高质量纯相二维硒化铟晶圆生长难题，并成功研制出核心性能超越3纳米硅基技术的低维晶体管，为国际上迄今能效最高的规模集成二维晶体管阵列，为实现高性能亚1纳米节点低维芯片奠定了材料和器件基础。这一突破性成果于2025年7月18日在线发表于《科学》。标题 “Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics”，原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803
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。
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。
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。
北京大学物理学院刘开辉教授、电子学院邱晨光研究员、姜建峰博士，中国人民大学物理学院刘灿副教授为论文通讯作者，北京大学毕业生秦彪博士和姜建峰博士为论文共同第一作者。北京大学彭练矛院士、王恩哥院士对工作给予重要指导，纳米器件教育部重点实验室主任张志勇教授给予关键平台支持。主要合作者还包括苏州实验室丁峰教授、北京大学电子学院张宸熙博士、毕业生徐琳博士等。研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目、腾讯科学探索奖等资助，以及北大电子学院微纳平台实验室提供了器件加工支持。
二维硒化铟晶圆集成晶体管结构与电学特性
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