基于二维硒化铟半导体晶圆的集成晶体管阵列。图片来自新华社

作者段跃初

朋友们，最近北大和人大的科研团队搞出了个大突破，跟半导体有关，而且这突破可能会直接影响咱们未来用的手机、电脑，甚至整个电子行业的走向。别觉得这离咱们远，其实这里面的门道拆开了说，还挺有意思的。

先从一个核心点说起，这次研究的主角叫“硒化铟”。可能有人听着陌生，咱先给它画个像：这是一种“层状二维材料”，啥意思呢？就像一张张极薄的纸，能一层层叠起来，单张的厚度可能只有几个原子那么厚。这种结构让它天生就有“超能力”——电子在里面跑起来特别快，反应也极其灵敏。

咱们现在用的芯片，大多是硅做的。硅这东西靠谱了几十年，但就像跑步到了极限，再想提速越来越难。而硒化铟不一样，它的“电子迁移率”（简单说就是电子跑得多快）比硅高得多，打个比方，要是硅里的电子是骑自行车，那硒化铟里的电子就是骑摩托，速度差着量级呢。这意味着用它做的芯片，处理数据能更快，功耗还能更低，这可是未来电子设备的核心追求。

光材料好还不够，得能“量产”才行，这就说到第二个关键点：“晶圆级集成制造”。咱们平时说的芯片，都是从“晶圆”上切下来的，晶圆就像一块大蛋糕，越大越规整，能切出来的芯片就越多，成本也越低。但硒化铟这材料娇贵，想做出大尺寸、高质量的晶圆，难上加难。

以前科学家们最多也就做出小块的硒化铟薄片，想铺满整个晶圆，要么材料不均匀，要么表面坑坑洼洼，根本没法用。而这次北大和人大的团队，硬是攻克了这个难题，在国际上第一次做出了“高质量”的硒化铟晶圆。啥叫高质量？就是整个晶圆上的硒化铟薄膜厚度均匀，没有杂质，性能稳定，就像一块完美的大蛋糕，每一口味道都一样。

更厉害的是，他们在这晶圆上直接做出了“晶体管阵列”。晶体管是芯片的基本单位，相当于一个个开关， billions（十亿）个开关协同工作，才能实现复杂的计算。这次做出来的晶体管，性能直接“碾压”了目前最先进的3纳米硅基芯片。3纳米是什么概念？差不多是几个原子并排的宽度，已经是硅基技术的极限了。而硒化铟晶体管在开关速度、能效比这些核心指标上都超过了它，这就好比用新材料造出了比F1赛车还快的车，而且还更省油。

说到这儿，可能有人会问：这东西到底能给咱们带来啥？咱从几个方面铺开了说。

首先是“高性能计算”。现在咱们用电脑处理大数据、玩3A游戏，总觉得不够快，或者电脑风扇呼呼转、发烫厉害，这都是因为硅基芯片的性能快到顶了。要是换成硒化铟芯片，未来的电脑可能运算速度翻好几倍，同时还更省电，笔记本电脑用一天不插电都有可能，服务器机房的能耗也能大大降低，这对环保和成本控制都是大好事。

然后是“柔性电子设备”。硒化铟是层状材料，天生柔韧，能弯能折。想想看，以后的手机屏幕可能像纸一样能卷起来放口袋里，智能手表的表带本身就是屏幕，甚至衣服上都能印上电路，监测健康数据。这些现在还停留在概念阶段的产品，有了这种材料，可能很快就能走进现实。

还有“物联网设备”。现在家里的智能音箱、传感器越来越多，这些设备大多靠电池供电，频繁换电池很麻烦。硒化铟芯片功耗低，能让这些设备的续航时间大幅延长，可能半年甚至一年才换一次电池，用起来会方便得多。而且它反应快，能更灵敏地处理信号，比如烟雾报警器能更早预警，智能家居的响应速度也会像人与人对话一样即时。

当然了，好东西想普及，总得跨过几道坎，这就是咱们要聊的挑战。

第一个坎是“材料制备”。现在做出高质量的硒化铟晶圆，成本还比较高，工艺也复杂。就像刚开始做硅晶圆时，一块小晶圆都贵得吓人，后来技术成熟了才便宜下来。硒化铟要走通这条路，得找到更简单、更低成本的量产方法，比如优化原材料配比，改进生长设备，让它像硅一样能大规模生产。

第二个坎是“兼容性”。现在的半导体工厂，从设备到工艺，都是为硅基芯片设计的。硒化铟要想大规模应用，不能让工厂全部推倒重来，得能“融入”现有体系。比如，它的厚度、导电性要能和现有电路设计兼容，焊接、封装这些环节也得适配，这需要科研人员和工厂一起琢磨，找到平衡点。

第三个坎是“可靠性”。芯片这东西，得经得住“折腾”——高低温、潮湿、震动，用个几年性能也不能衰减太多。硒化铟是新材料，长期使用下会不会氧化？层与层之间会不会松动？这些都需要长期测试和改进。就像新手机上市前要经过摔打、泡水测试，硒化铟芯片也得通过各种“酷刑”，才能真正放心用在产品里。

不过话说回来，这些挑战都是技术发展中必然会遇到的，当年硅基芯片刚出来时，也被质疑过“不稳定”“成本高”，但现在不也成了整个电子行业的基石吗？这次北大和人大的突破，最关键的意义在于“打开了一扇门”——它证明了二维材料不仅能在实验室里做出小块样品，还能真正走向工业化，做出性能超越现有技术的器件。

这事儿对咱们国家来说，意义就更特殊了。这些年，咱们在半导体领域一直被“卡脖子”，核心技术受制于人。而硒化铟这种新材料，全世界都在同一起跑线，咱们这次率先实现晶圆级集成，等于在新赛道上抢了个好位置。未来要是能在这上面持续突破，说不定能绕过传统硅基技术的专利壁垒，走出一条自主可控的道路。

往远了想，这可能只是一个开始。除了硒化铟，还有石墨烯、二硫化钼等一大堆二维材料，都各有各的本事。这次的技术突破，相当于积累了一套“二维材料量产秘籍”，以后再研究其他材料，就能少走很多弯路。说不定再过十年，咱们用的手机芯片上，印着的就不是“硅”，而是“硒化铟”了。

总之，这事儿看着是个科研突破，其实离咱们的生活很近。它意味着更快的电脑、更耐用的手机、更酷炫的智能设备，更意味着咱们国家在科技领域又往前迈了坚实的一步。咱们就等着看，这小小的硒化铟，未来能掀起多大的波澜吧！

来源: 科普文迅