集成電路是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心基礎(chǔ)。近年來，隨著硅基芯片性能逐步逼近物理極限，開發(fā)新型高性能、低能耗半導(dǎo)體材料，成為全球科技研發(fā)熱點(diǎn)。其中，二維層狀半導(dǎo)體材料硒化銦因遷移率高、熱速度快等優(yōu)良性能，被視為有望打破硅基物理限制的新材料。

由北京大學(xué)、中國人民大學(xué)科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)四年攻關(guān)，首創(chuàng)一種“蒸籠”新方法，首次在國際上成功實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量硒化銦材料的晶圓級集成制造，并研制出核心性能超越3納米硅基芯片的晶體管器件。該成果18日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

硒化銦被譽(yù)為“黃金半導(dǎo)體”。但長期以來，硒化銦的大面積、高質(zhì)量制備未能實(shí)現(xiàn)，制約著該材料走向大規(guī)模集成應(yīng)用，成為國際半導(dǎo)體領(lǐng)域的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。

“要制備高質(zhì)量、性能好的硒化銦，很關(guān)鍵的一步就是要在制備過程中保持硒原子和銦原子數(shù)量嚴(yán)格達(dá)到1:1的比例。”北大物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長劉開輝說。傳統(tǒng)的制備方法，通常利用開放容器加熱硒和銦，但因其“蒸發(fā)”速率不同，無法確保二者原子數(shù)量達(dá)到最優(yōu)比例，致使制備出的晶體質(zhì)量不高。

為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種“固-液-固”相變生長新思路：先將簡單制備的低質(zhì)量、原子排列不規(guī)則的非晶硒化銦薄膜，放置于圓形不銹鋼容器里，再將固態(tài)銦放入容器卡槽，蓋蓋密封并將其加熱，升溫后銦形成液態(tài)金屬密封圈。這種密封效果“好像在蒸籠邊包上一層紗”。之后，蒸汽態(tài)的銦原子被自然“蒸”到薄膜邊緣，形成富銦液態(tài)邊界，逐漸“長成”高質(zhì)量、原子排列規(guī)則的硒化銦晶體。

“這種‘封銦’的做法就好像我們用蒸籠蒸饅頭一樣，將蒸汽封在容器里，蓋子蓋嚴(yán)實(shí)，就可保證硒和銦的原子比數(shù)量相當(dāng)，從而長成高質(zhì)量晶體。硒化銦薄膜就像從‘面團(tuán)’變?yōu)椤z頭’，重量幾乎不變，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)煥然一新?！眲㈤_輝說。

這一新方法突破了硒化銦從實(shí)驗(yàn)室走向工程化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

北大電子學(xué)院研究員邱晨光說，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已制備出直徑5厘米的硒化銦晶圓，并構(gòu)建了高性能晶體管大規(guī)模陣列，可直接用于集成芯片器件。實(shí)驗(yàn)證明，基于二維硒化銦晶圓的集成器件，其優(yōu)勢在關(guān)鍵電學(xué)性能指標(biāo)與能效方面，分別可達(dá)3納米硅基芯片的3倍和10倍。

《科學(xué)》雜志審稿人評論稱“這是晶體生長領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破”。劉開輝認(rèn)為，這項(xiàng)新成果為開發(fā)新一代高性能、低功耗芯片提供了新路徑，未來有望廣泛應(yīng)用于人工智能、自動(dòng)駕駛、智能終端等前沿領(lǐng)域。