二維硒化銦晶圓：未來半導(dǎo)體新材料

|作者：秦彪1,2　劉燦3　劉開輝1,?

(1 北京大學(xué)物理學(xué)院 人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室)

(2 重慶大學(xué)物理學(xué)院 量子材料與器件研究中心)

(3 中國人民大學(xué)物理學(xué)院)

本文選自《物理》2025年第9期

01

半導(dǎo)體硅的發(fā)展與物理極限

過去七十余年間，硅作為半導(dǎo)體材料的核心，深刻塑造了現(xiàn)代電子技術(shù)的基本格局。1954年，美國德州儀器公司成功研制出第一塊硅基晶體管，其物理基礎(chǔ)在于p-n結(jié)中的載流子調(diào)控機制。肖克利、巴丁與布拉頓因在晶體管方面的開創(chuàng)性工作獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎。晶體管的發(fā)明不僅推動了集成電路的誕生，也奠定了現(xiàn)代微電子學(xué)的基礎(chǔ)。

1965年，摩爾提出的“摩爾定律”指出，集成電路的晶體管數(shù)目大約每18—24個月翻一番，性能隨之提升而成本下降。這一經(jīng)驗規(guī)律不僅成為半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的重要參照，也與工藝縮放、光刻精度和能耗控制等物理因素密切相關(guān)。從英特爾第一代4004微處理器，到IBM大型計算機，再到個人電腦與智能終端，硅基器件逐步奠定了信息社會的硬件根基。

然而，晶體管尺寸縮小至納米級別后，硅基器件逐漸顯現(xiàn)出固有的物理限制。當(dāng)晶體管的柵極長度逐漸逼近十納米甚至更小的尺度時，硅材料表面懸掛鍵缺陷的影響越來越大，其內(nèi)在局限開始顯現(xiàn)。首先，短溝道效應(yīng)使得晶體管難以完全“關(guān)斷”，功耗顯著增加；其次，量子隧穿效應(yīng)讓電子像“幽靈”般穿過勢壘，造成漏電；此外，硅有限的電子遷移率和相對較窄的帶隙，使其難以在極小尺度下同時實現(xiàn)高速與低能耗的要求。

雖然摩爾定律在幾十年內(nèi)推動了硅基技術(shù)的繁榮，但隨著物理極限的逼近，即便是英特爾、臺積電和三星等龍頭企業(yè)，也面臨性能增益減緩、制造成本提升以及器件散熱難等多重挑戰(zhàn)。

02

二維半導(dǎo)體材料的物理特性

在硅逐漸接近極限的背景下，二維材料成為新型半導(dǎo)體的重要候選。2004年，海姆與諾沃肖洛夫利用機械剝離方法首次獲得單層石墨烯，引發(fā)了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的廣泛研究[1]。

二維材料通常由單層或少層原子層構(gòu)成，受量子限域作用影響，其能帶結(jié)構(gòu)、載流子輸運性質(zhì)和光學(xué)躍遷行為均與三維塊體顯著不同；這些性質(zhì)可通過層數(shù)、外加應(yīng)變或電場加以調(diào)節(jié)，體現(xiàn)出三維半導(dǎo)體材料所不具備的可調(diào)控性。更重要的是，二維材料在平面外沒有懸掛鍵缺陷，其完美性質(zhì)的保持性可以薄到單原子層。在基于二維材料的場效應(yīng)晶體管中，原子級厚度的溝道能 夠增強柵極電場對溝道的控制作用，從而有效抑制短溝道效應(yīng)，使器件在亞1 nm尺度下仍能維持較強的靜電控制能力。

此外，二維材料層間主要依賴范德瓦耳斯相互作用堆疊，而非化學(xué)鍵晶格匹配，這一特性使其可以構(gòu)建異質(zhì)結(jié)與人工超晶格，為研究新型量子輸運機制、隧穿器件及非線性光學(xué)效應(yīng)等提供實驗平臺。基于這些優(yōu)勢，MoS2、WS2、WSe2等過渡金屬硫族化物(TMDs)、黑磷(BP)、氧硒化物(Bi2O2Se)以及硒化銦(InSe)等多類二維半導(dǎo)體相繼成為研究熱點[2—8]。

03

InSe材料的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

在諸多二維半導(dǎo)體候選材料中，InSe因在帶隙、有效質(zhì)量和輸運性質(zhì)方面的綜合優(yōu)勢而受到關(guān)注。其電子有效質(zhì)量僅為0.14

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然而，In-Se二元體系的熱力學(xué)與動力學(xué)復(fù)雜性為大面積InSe的可控外延生長帶來挑戰(zhàn)。首先，In-Se體系的相圖極為復(fù)雜。除了InSe本身，還可能生成In2Se3、In4Se3以及In6Se7等多種穩(wěn)定相，只要化學(xué)計量稍有偏差，就會形成雜相，顯著劣化器件性能[11]。其次，在典型的生長溫度下，硒的蒸氣壓比銦高出7個數(shù)量級，要想維持嚴(yán)格的1:1化學(xué)計量十分困難，這導(dǎo)致薄膜中缺陷密布、結(jié)晶質(zhì)量欠佳[12]。即便使用金屬有機化學(xué)氣相沉積、分子束外延等先進(jìn)方法，所獲得的InSe薄膜在電學(xué)性能上仍落后于機械剝離樣品[11，13]。

因此，實現(xiàn)大面積、純相、高結(jié)晶性InSe薄膜的可控制備，是其能否真正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)與工程問題。

04

固—液—固界面生長策略與“蒸籠”方法

針對以上難題，我們提出了一種固—液—固界面生長策略，首次在晶圓尺度上制備出高結(jié)晶性、純相的InSe薄膜[14]。其核心思想是“先非晶，后結(jié)晶”。通過磁控濺射在藍(lán)寶石襯底上沉積均勻的非晶InSe薄膜，以保證整體化學(xué)計量比準(zhǔn)確。隨后，將非晶InSe薄膜放入特制的“蒸籠”裝置中，樣品被鋼槽與石英片覆蓋，并在邊緣用液態(tài)銦密封，防止成分揮發(fā)。高溫退火環(huán)境下，液態(tài)銦中部分原子進(jìn)入固態(tài)InSe非晶薄膜，形成富銦液態(tài)界面。在該密閉反應(yīng)體系中，非晶InSe在這一界面處快速溶解—再結(jié)晶，從而逐漸轉(zhuǎn)化為高度有序的晶體結(jié)構(gòu)(圖1)。該方法通過精準(zhǔn)源控制，結(jié)合“蒸籠”密封裝置，維持系統(tǒng)銦和硒的1:1計量比。同時，富銦液態(tài)界面為原子遷移和結(jié)構(gòu)重組提供了“活躍”的界面，從而有效提升結(jié)晶質(zhì)量。

圖1　用于硒化銦晶膜生長的固—液—固策略 (a)通過磁控濺射在單晶藍(lán)寶石基底上沉積非晶硒化銦薄膜；(b)退火裝置示意圖：鋼基座中心凹槽放置晶圓，外圍凹槽容納液態(tài)銦，頂部覆蓋熔融石英板。液態(tài)銦用于密封硒化銦晶圓；(c)生長機制放大圖：液態(tài)銦蒸發(fā)形成非晶與晶體硒化銦間的富銦界面，非晶態(tài)在此界面持續(xù)轉(zhuǎn)化為晶體薄膜；(d)制備的兩英寸硒化銦晶膜；(e)藍(lán)寶石襯底上硒化銦的高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)截面圖，揭示了ABC堆垛結(jié)構(gòu)

基于該策略，我們實現(xiàn)了2英寸InSe晶圓，在整個晶圓范圍內(nèi)，光譜學(xué)及電子顯微成像表征結(jié)果都顯示出材料的高結(jié)晶性和單一相結(jié)構(gòu)。在器件性能方面，我們制備的場效應(yīng)晶體管顯示出的平均遷移率為287 cm2/V·s、亞閾值擺幅為67 mV/Dec，刷新了二維薄膜器件的新紀(jì)錄；在短溝道器件中，其關(guān)鍵參數(shù)均優(yōu)于硅基晶體管，表明其在邏輯器件中的應(yīng)用潛力(圖2)。

圖2　基于晶圓級二維InSe晶體管陣列的優(yōu)異性能 (a)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；(b)晶體管陣列的亞閾值擺幅和遷移率與目前報道的薄膜器件的對比圖，器件具有高的遷移率(平均值達(dá)287 cm2/V?s)和接近玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅；(c)在短溝道(10 nm)器件中，在工作電壓、柵極長度、漏致勢壘降低效應(yīng)(DIBL)、有效質(zhì)量、開關(guān)比以及室溫彈道率等關(guān)鍵性能指標(biāo)上，均超越英特爾硅3 nm節(jié)點

該固—液—固界面生長策略通過引入液態(tài)中間相，實現(xiàn)對化學(xué)計量和相穩(wěn)定性的調(diào)控，從而提升了晶體質(zhì)量，為其他二維半導(dǎo)體材料的可控外延提供了普適性路徑。

05

總結(jié)與展望

二維InSe晶圓的實現(xiàn)標(biāo)志著二維半導(dǎo)體從實驗室微米級樣品邁向可擴展至工業(yè)級應(yīng)用的重要進(jìn)展。其在電子器件性能上的優(yōu)勢，證明了二維半導(dǎo)體在后摩爾時代邏輯器件與光電子器件中的潛在應(yīng)用價值(圖3)。

圖3　超越硅基極限的高能效二維硒化銦芯片的概念圖

但同時，InSe的大規(guī)模應(yīng)用仍需解決若干關(guān)鍵問題。首先，與現(xiàn)有CMOS工藝的兼容性尚需進(jìn)一步驗證，特別是在金屬接觸、電極工藝和介質(zhì)沉積方面。其次，InSe薄膜在空氣中的化學(xué)穩(wěn)定性有限，易受氧化和環(huán)境作用影響，需借助界面封裝或材料修飾提升穩(wěn)定性。此外，更大規(guī)模均勻性與工藝成本控制仍是產(chǎn)業(yè)化面臨的瓶頸。

若這些問題逐步得到解決，InSe有望在人工智能加速芯片、低功耗邊緣計算、高速光通信與光電探測等領(lǐng)域展現(xiàn)獨特性能。同時，固—液—固界面生長策略作為一種普適的二維半導(dǎo)體生長方法，也可能為MoS2、BP、WSe2等材料提供可行的擴展路徑，有望推動二維材料體系整體走向規(guī)模化應(yīng)用。

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