在新型半導(dǎo)體領(lǐng)域，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)和美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)或許可被稱作是“雙雄”一般的存在。而北京大學(xué)彭練矛院士的學(xué)生、北京大學(xué)博士畢業(yè)生、目前正在美國麻省理工學(xué)院從事博士后研究的姜建峰，繼以第一作者身份在Nature發(fā)表彈道輸運(yùn)的硒化銦晶體管研究后，姜建峰近期又以通訊作者兼共同一作的身份，在Science發(fā)表了關(guān)于晶圓級(jí)集成硒化銦半導(dǎo)體的重要成果。該系列工作不僅進(jìn)一步推動(dòng)了超高性能二維器件的可制造性與系統(tǒng)集成化發(fā)展，也引起了業(yè)界廣泛關(guān)注，并于近期收到了英特爾公司以及美國半導(dǎo)體研究聯(lián)盟的演講邀請(qǐng)。

圖 | 姜建峰（來源：姜建峰）

在此前發(fā)表在于Nature的研究中，他和合作者構(gòu)建出一種基于硒化銦的理想彈道輸運(yùn)晶體管，在單個(gè)器件層面首次實(shí)現(xiàn)能效超越硅基技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)角度回答了二維器件是否能超越硅的核心科學(xué)問題。

而在最新發(fā)表于Science的工作中，他和合作者再次實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性突破，攻克了硒化銦半導(dǎo)體集成制造的難題，首次將二維硒化銦器件從“單器件”推向“晶圓級(jí)平臺(tái)”，成功實(shí)現(xiàn)大面積可集成的二維電子器件，為后摩爾時(shí)代的芯片技術(shù)打開了新的可能。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature、Science，姜建峰制圖）

“從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開始，我就開始從事硒化銦半導(dǎo)體的研究，從山大到北大，再到麻省理工，一晃已經(jīng)九年?！苯ǚ甯嬖V DeepTech?！岸S半導(dǎo)體就像一塊可以被‘重新定義’的拼圖，”他解釋說，“它不僅具備硅材料的幾乎全部功能，還能在能效方面實(shí)現(xiàn)超越。換句話說，未來的芯片可能更小、更快、更省電，而這正是信息技術(shù)不斷前進(jìn)的關(guān)鍵?！?/p>

實(shí)現(xiàn)二維硒化銦從“毫米量級(jí)”走向“晶圓尺寸”的重大跨越

在人類科技發(fā)展的歷程中，半導(dǎo)體技術(shù)的革命發(fā)揮了重要作用。從人工智能到大數(shù)據(jù)，從智能制造到萬物互聯(lián)，所有先進(jìn)技術(shù)的背后都離不開一個(gè)核心支撐——被譽(yù)為現(xiàn)代科技“心臟”的集成電路芯片。在過去七十余年里，硅材料作為芯片的基礎(chǔ)，推動(dòng)了整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。然而，隨著芯片制程接近物理極限，摩爾定律正逐步走到盡頭。如何尋找性能更高、功耗更低的新型半導(dǎo)體技術(shù)，成為全球科技界面臨的共同課題。

在這樣的背景下，具有原子級(jí)厚度的二維半導(dǎo)體材料開始走入全球科技前沿的聚光燈下。作為被寄予厚望的“后摩爾時(shí)代”接力技術(shù)，它有望打破傳統(tǒng)硅基芯片在性能和尺寸上的瓶頸。

相比傳統(tǒng)硅材料，二維半導(dǎo)體不僅更薄、更快，還具有更高的工藝兼容性。它在極限尺寸微縮、供電電壓降低、三維集成等關(guān)鍵方向上展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，成為實(shí)現(xiàn)高性能與低功耗兼得的潛在解決方案。

正因如此，這一前沿技術(shù)已引起全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)巨頭的高度重視。英特爾、臺(tái)積電、三星電子以及歐洲微電子中心等國際領(lǐng)先企業(yè)和機(jī)構(gòu)，均將二維半導(dǎo)體列為下一代芯片技術(shù)的戰(zhàn)略研發(fā)重點(diǎn)。美國白宮也在近期發(fā)布的《國家微電子研究戰(zhàn)略》中，明確將二維材料納入延續(xù)摩爾定律的核心方向之一。

但理想與現(xiàn)實(shí)之間仍存在距離。由于二維半導(dǎo)體在物理本征性能、制備質(zhì)量及工藝可控性方面尚存難點(diǎn)，其整體器件性能仍難以全面超越先進(jìn)硅基技術(shù)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)大面積、高一致性、可靠的集成制造也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

總的來看，二維半導(dǎo)體電子學(xué)領(lǐng)域正面臨兩大核心科學(xué)問題：一是二維半導(dǎo)體器件是否真的能夠在單器件層面超越現(xiàn)有先進(jìn)的硅基技術(shù)？二是二維半導(dǎo)體能否真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高性能、穩(wěn)定可靠的集成？

而這不僅是技術(shù)路線的抉擇，更是決定“后硅時(shí)代”關(guān)鍵突破口。在眾多二維半導(dǎo)體中，硒化銦毫無疑問是非常獨(dú)特的一種存在，其優(yōu)異的電子特性被視為打破瓶頸的希望——其理論性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅和其他二維半導(dǎo)體，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·海姆（Andre Geim）教授更將其譽(yù)為“黃金半導(dǎo)體”。

然而，如何真正將這種“潛力股”轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的“硬通貨”，從“知道它好”到“讓它好用”，中間還有很大的技術(shù)鴻溝?！昂芏鄬W(xué)者嘗試將晶體管做小，但性能卻跟不上；也有人實(shí)現(xiàn)了較高的電流密度，但開關(guān)斜率嚴(yán)重受限，”姜建峰解釋說，“還有的為了追求陡峭的開關(guān)斜率，不得不犧牲開態(tài)性能，‘拆東墻補(bǔ)西墻’式的權(quán)衡隨處可見。所以要同時(shí)解決這些問題，極具挑戰(zhàn)?！?/p>

圖 | 彈道硒化銦晶體管（來源：姜建峰）

他表示，接觸界面和柵極堆疊結(jié)構(gòu)是其中的兩大關(guān)鍵瓶頸，而他于 2023 年發(fā)表的Nature論文集中突破了這兩個(gè)難點(diǎn)。彈道輸運(yùn)意味著電子在器件中幾乎不發(fā)生散射，就像高速公路上沒有紅綠燈，對(duì)集成電路能效起著決定性作用?！拔覀兂Ｕf，界面即是器件，”他說，“關(guān)于接觸界面物理的深入機(jī)制分析，在上述Nature論文發(fā)表之后，我們?cè)诤罄m(xù)研究中進(jìn)一步拓展，并將相關(guān)論文于 2024 年發(fā)表了Nature Electronics。”

2023 年發(fā)表的論文雖然取得了不錯(cuò)的性能突破，但是所采用的依舊是借鑒石墨烯研究中獲得諾貝爾獎(jiǎng)的“機(jī)械剝離法”。這種方法雖然能獲得高質(zhì)量的硒化銦晶體樣品，但卻難以實(shí)現(xiàn)大面積、可控產(chǎn)出的制備過程，從而限制了其在大規(guī)模集成電路中的實(shí)用性。

在本文開頭提到的最新發(fā)表于Science的論文中，姜建峰與北京大學(xué)劉開輝教授團(tuán)隊(duì)及秦彪博士合作，攻克了晶圓級(jí)硒化銦二維材料制備與集成的關(guān)鍵難題，實(shí)現(xiàn)了二維硒化銦從“毫米量級(jí)”走向“晶圓尺寸”的重大跨越?！斑@是硒化銦從實(shí)驗(yàn)室研究走向工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵一步。”姜建峰表示，“對(duì)于任何想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的材料來說，高均勻性、純相性、高質(zhì)量與大尺寸晶體薄膜是最基本的技術(shù)門檻，而這正是整個(gè)領(lǐng)域長期面臨的核心挑戰(zhàn)?！?/p>

圖 | 從左到右：姜建峰和博士導(dǎo)師彭練矛（來源：姜建峰）

基于這一全新生長工藝制備的硒化銦晶圓器件陣列，不僅能夠保留材料本征優(yōu)異的電學(xué)性能，更在核心指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破：這種硒化銦晶圓器件陣列的遷移率極高，開關(guān)特性接近玻爾茲曼熱極限，平均亞閾值擺幅低至 67mV/Dec，工作電壓僅為 0.5V。這意味著，即使在尺寸更小的晶體管中，也能精準(zhǔn)控制導(dǎo)通與關(guān)斷。在實(shí)現(xiàn)更高能效的同時(shí)，極大推動(dòng)了二維半導(dǎo)體在超低功耗芯片中的應(yīng)用前景?！斑@同樣很好地回答了前面所提到的二維半導(dǎo)體的第二個(gè)核心科學(xué)問題?！苯ǚ灞硎?。

圖 | 硒化銦半導(dǎo)體集成晶體管陣列（來源：姜建峰）

在新型硒化銦半導(dǎo)體領(lǐng)域的九年革新之路

回顧過往，自 2016 年起進(jìn)入硒化銦半導(dǎo)體研究領(lǐng)域，姜建峰一路見證并參與了這項(xiàng)前沿材料從實(shí)驗(yàn)室概念到有望大規(guī)模集成的全過程：2019 年，他和所在團(tuán)隊(duì)發(fā)表了首篇關(guān)于硒化銦電子器件的論文；2023 年，他和所在團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了器件性能的歷史性突破；2025 年，他又和所在團(tuán)隊(duì)完成了硒化銦集成化的關(guān)鍵跨越。

圖 | 姜建峰和博士后導(dǎo)師孔敬（來源：姜建峰）

一路走來，他面向亞 1nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)集成電路芯片，深耕納米電子器件及系統(tǒng)集成領(lǐng)域，開發(fā)了一系列先進(jìn)技術(shù)解決了電子學(xué)領(lǐng)域前沿科學(xué)問題。代表性一作/通訊研究工作包括：Nature主刊（2 篇）、Science主刊（1 篇）、Nature系列子刊多篇，如Nature ElectronicsNature MaterialsNature Reviews Electrical Engineering等，相關(guān)成果被英特爾、臺(tái)積電、比利時(shí)微電子中心等半導(dǎo)體芯片制造公司和機(jī)構(gòu)在超大規(guī)模集成電路研討會(huì)（VLSI）和 IEEE 國際電子元件會(huì)議（IEDM）中列為年度芯片器件重大進(jìn)展，并被Nature Electronics進(jìn)行專題報(bào)道。

圖 | 感存算一體的二維系統(tǒng)級(jí)芯片（來源：姜建峰）

“從科學(xué)問題到工程落地，再到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，我都想走一遍?！苯ǚ逄寡?，自己內(nèi)心的這種沖動(dòng)越來越強(qiáng)烈。

走過九年科研路，姜建峰也在心中埋下了新的種子。面對(duì)實(shí)驗(yàn)室里技術(shù)的突破，他開始思考能不能把這些走在世界前沿的研究真正帶出“象牙塔”，讓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的圖紙變成產(chǎn)業(yè)線上的產(chǎn)品？讓論文中的“先進(jìn)制程”走進(jìn)未來的芯片工廠？因此，他計(jì)劃把自己這些年在半導(dǎo)體領(lǐng)域的積累，真正轉(zhuǎn)化為中國“芯”的一份力量?！拔抑两裼浀貌┦慨厴I(yè)之際，彭練矛教授語重心長地囑托我‘做人要不卑不亢，做研究要全力以赴’。于我而言，科研是向內(nèi)扎根，創(chuàng)業(yè)是向外生長。未來，我希望能親自去試一試，看能不能把二維電子器件從實(shí)驗(yàn)室做上產(chǎn)業(yè)線?！彼f。

參考資料：

1.J. Jiang, L. Xu, C. Qiu & L.-M. Peng, Ballistic two-dimensional InSe transistors.Nature616, 470-475 (2023).

2.Q. Biao, J. Jiang, L. Wang, Q. Guo, C. Zhang, L. Xu, X. Ni, P. Yin, L.-M. Peng, E. Wang, F. Ding, C. Qiu, C. Liu, K. Liu, Two-dimensional indium selenide wafer for integrated electronics.Science389, 299-302 (2025).

運(yùn)營/排版：何晨龍