中国打破下一代芯片“黄金半导体”生产壁垒

几十年来，硅一直是无可争议的计算之王，为从智能手机到超级计算机的一切提供动力。但随着工程师将硅芯片推向其基本物理极限，全球寻找继任者的竞赛愈演愈烈。现在，中国科学家的一项突破带来了重大飞跃，释放了硒化铟的大规模生产潜力——这种材料因其卓越的性能而被誉为“黄金半导体”。

由北京大学和中国人民大学团队领导的研究于 2024 年 5 月 10 日发表在著名期刊《科学》上，设计了一种新方法来克服阻碍硒化铟广泛使用的关键瓶颈。与硅相比，这种半导体具有固有的优势，包括未来电子设备的潜在更高性能和更低能耗。然而，实现铟原子和硒原子保持完美 1：1 比例的高质量材料的大规模生产一直是一个持续的挑战。

“黄金”挑战和巧妙的解决方案

核心问题在于所需的微妙原子舞蹈。“核心挑战在于在生产过程中精确维持铟和硒的理想 1：1 原子比，”北京大学物理学院刘开慧教授解释道，正如该研究的报道所报道的那样。传统方法难以大规模一致地实现这一目标，导致缺陷削弱了材料的电子电位。

中国团队的创新优雅简单，但非常有效。他们在密封环境中加热无定形硒化铟薄膜和固体铟。至关重要的是，汽化的铟原子迁移到薄膜边缘，形成富含铟的液体界面。该界面充当自调节区，逐渐引导形成具有近乎完美原子排列的高质量硒化铟晶体。“这种方法确保了正确的原子比......并克服了关键的瓶颈，“刘教授说。

从实验室好奇心到工业前景

结果是切实而重要的。研究人员成功生产出直径为 5 厘米（2 英寸）的均匀硒化铟晶圆，这是迈向工业规模制造的重要一步。更重要的是，他们通过直接在这些晶圆上构建大规模的高性能晶体管阵列，证明了这种材料的实际可行性。

北京大学电子学院研究员邱晨光强调了直接的应用潜力：“晶体管......可以直接用于集成芯片器件。从概念验证到功能器件集成的转变标志着一个重要的里程碑，将硒化铟超越了理论上的前景，进入了实用的下一代电子领域。

为什么“黄金半导体”对未来很重要

这一突破的影响远远超出了实验室的范围。随着硅芯片在不产生过多功耗和发热的情况下保持性能提升面临越来越大的困难，硒化铟等替代品变得至关重要。其独特的结构和电子特性可以实现：

• 更快的计算：电子迁移率明显高于硅的潜力。

• 更低的功耗：更高效的运营，对于移动设备和大型数据中心至关重要。

• 高级应用：对新型计算架构和专用传感器的潜在适用性。

全球芯片竞赛升温

这一发展使中国在先进半导体材料研究方面稳居前列。虽然大规模生产和商业化整合需要进一步的发展和投资，但解决硒化铟的根本生产挑战开辟了一条重要的新途径。它标志着全球竞争日益激烈，以定义将推动从人工智能到量子计算的下一波技术创新浪潮的材料。

大规模生产“黄金半导体”硒化铟的这一突破不仅是一项科学成就，而且是一项科学成就。它对整个电子行业来说是一个潜在的游戏规则改变者。通过解决关键的原子比问题，中国研究人员为最终超越硅极限的高性能、节能芯片铺平了道路。“黄金半导体”时代的到来可能比预期的要快。探索最新的芯片创新，了解这将如何塑造您的技术未来。

问：“黄金半导体”到底是什么？
答：“黄金半导体 ”一词是指硒化铟（InSe），一种化合物半导体材料。它因其独特且非常理想的电子特性而赢得了这个绰号，特别是与硅相比，它具有高电子迁移率和低功耗的潜力，使其对未来的先进芯片具有价值。

问：为什么以前大规模生产硒化铟如此困难？
答：核心挑战是在生产过程中始终如一地保持铟 （In） 与硒 （Se） 的精确 1：1 原子比。偏离该比率会引入缺陷，严重降低材料的电子性能，使其不适合可靠的芯片制造。

问：是什么让中国的这一突破如此重要？
答：研究人员开发了一种使用固体铟的新型密封加热方法，该方法可形成自调节的液体界面。这确保了晶体生长过程中正确的 In：Se 比例，首次能够生产出大型（直径 5 厘米）的高质量硒化铟晶圆，克服了工业用途的主要瓶颈。

问：这些黄金半导体有哪些潜在应用？
答：硒化铟芯片可以实现更快的计算速度、更节能的电子产品（延长电池寿命），并有可能为下一代技术提供动力，如先进的人工智能系统、专用传感器和硅难以解决的新型计算架构。

问：我们什么时候可以看到使用硒化铟芯片的设备？
答：虽然这是一项重大的生产突破，但将其转化为商业消费设备将需要大量的进一步工程设计、制造规模扩大和集成工作。它可能代表了本十年后半叶或更远的一项技术，但现在道路更加清晰。