硒化铟量产技术突破：中国科学家为后硅时代芯片开辟新路径

抖音热门 2025年07月24日 01:41 1 admin

北京大学与中国人民大学研究团队在《科学》杂志发表的最新研究成果，成功解决了被誉为"黄金半导体"的硒化铟大规模高质量制备难题，为超越传统硅基芯片性能的新一代半导体器件量产奠定了关键技术基础。该团队开发的创新制备方法不仅实现了5厘米直径硒化铟晶圆的稳定生产，更构建出可直接应用于集成芯片器件的大规模高性能晶体管阵列。这一突破性进展标志着硒化铟从实验室研究向工程应用的重要转折点，为全球半导体产业在后摩尔定律时代寻找新的技术路径提供了重要选择。

随着硅基芯片性能逐渐接近物理极限，半导体行业正面临前所未有的技术挑战。传统硅基技术在晶体管尺寸缩小和性能提升方面遇到了量子隧穿效应、功耗增加等根本性障碍。国际半导体技术路线图显示，7纳米以下工艺节点的进展速度明显放缓，制造成本呈指数级增长。在这种背景下，寻找新型高性能、低功耗半导体材料已成为全球科技竞争的焦点领域。

硒化铟因其独特的层状结构和优异的电子特性被科学界称为"黄金半导体"。与传统硅材料相比，硒化铟具有更高的载流子迁移率、更低的功耗特性和更好的光电转换效率。这些优势使其在高频通信、低功耗计算、光电集成等先进技术应用中展现出巨大潜力。然而，长期以来，硒化铟的大规模高质量制备一直是制约其产业化应用的关键瓶颈。

技术难题与创新突破

北京大学物理学院教授刘开辉指出，硒化铟制备的核心挑战在于生产过程中精确维持铟和硒原子的理想1:1配比。传统制备方法往往面临原子比例不均、晶体质量不稳定、产量规模受限等问题，这些技术障碍严重阻碍了硒化铟从基础研究向实际应用的转化进程。

研究团队采用的创新技术路径展现了对材料科学基本原理的深度理解和巧妙应用。他们在密封条件下加热非晶态硒化铟薄膜和固态铟，利用气化的铟原子在薄膜边缘形成富铟液体界面，通过精确控制热力学条件，逐步诱导形成原子排列规整的高质量硒化铟晶体。

这种方法的创新性在于它解决了传统制备工艺中的多个关键问题。首先，密封环境确保了原子组分的精确控制，避免了开放系统中常见的元素挥发和污染问题。其次，富铟液体界面的形成提供了理想的晶体生长环境，促进了高质量晶体的有序形成。最重要的是，这种方法具备良好的可扩展性，为大规模工业化生产奠定了基础。

刘开辉教授强调，这种制备方法确保了铟和硒的正确原子配比，克服了硒化铟从实验室研究向工程应用转化的关键瓶颈。这一技术突破不仅解决了材料制备的根本问题，更为后续的器件设计和集成应用开辟了广阔空间。

工程化应用与产业前景

北京大学电子学院研究员邱晨光介绍，研究团队成功制备出直径达5厘米的硒化铟晶圆，并构建了可直接应用于集成芯片器件的大规模高性能晶体管阵列。这一成果的意义不仅在于材料制备技术的突破，更在于它证明了硒化铟器件的实用化可能性。

5厘米直径的晶圆尺寸虽然相比于当前半导体工业的12英寸标准晶圆还有差距，但作为新材料技术的起点已经具备了重要的产业化意义。历史上，硅基半导体也是从小尺寸晶圆开始逐步发展到今天的规模。硒化铟晶圆的成功制备为进一步扩大生产规模提供了技术基础和发展路径。

大规模晶体管阵列的构建展示了硒化铟在实际器件应用中的性能优势。这些晶体管不仅具有优异的电学特性，更重要的是它们可以直接集成到现有的芯片制造工艺中，大大降低了新技术的应用门槛。这种兼容性为硒化铟技术的快速产业化提供了重要条件。

当前全球半导体市场规模超过6000亿美元，而新材料和新器件技术的突破往往能够催生全新的产业机遇。硒化铟技术的成熟有望在高频通信芯片、低功耗处理器、光电集成器件等细分市场形成技术优势，为相关产业带来新的增长点。

战略意义与国际竞争

这项技术突破在当前国际科技竞争格局中具有重要的战略意义。半导体技术作为现代信息社会的基础，其技术主导权直接关系到国家的科技安全和产业竞争力。中国科学家在硒化铟这一前沿材料领域取得的重大进展，为中国在下一代半导体技术竞争中争取主动权提供了重要支撑。

与此同时，这项成果也体现了中国在基础科学研究方面的实力提升。《科学》杂志作为国际顶级学术期刊，对研究质量有着极其严格的标准。中国科学家的研究能够在该平台发表，说明其技术水平已经达到国际领先水平。

从产业发展角度看，硒化铟技术的突破为中国半导体产业提供了"换道超车"的可能性。在传统硅基技术领域，中国企业主要处于跟随地位，而在新兴的化合物半导体领域，中国有机会与国际先进水平同步发展甚至实现引领。

未来几年将是硒化铟等新型半导体材料技术发展的关键时期。随着制备技术的进一步成熟和产业化进程的推进，这些材料有望在特定应用领域逐步替代传统硅基技术，为半导体产业的持续发展注入新的活力。中国科学家在这一前沿领域的重要突破，不仅为学术界提供了宝贵的研究成果，更为中国乃至全球半导体产业的未来发展开辟了新的可能性。