基于二維硒化銦半導體晶圓的集成晶體管陣列。圖片來自新華社

作者段躍初

朋友們，最近北大和人大的科研團隊搞出了個大突破，跟半導體有關，而且這突破可能會直接影響咱們未來用的手機、電腦，甚至整個電子行業的走向。別覺得這離咱們遠，其實這里面的門道拆開了說，還挺有意思的。

先從一個核心點說起，這次研究的主角叫“硒化銦”。可能有人聽著陌生，咱先給它畫個像：這是一種“層狀二維材料”，啥意思呢？就像一張張極薄的紙，能一層層疊起來，單張的厚度可能只有幾個原子那么厚。這種結構讓它天生就有“超能力”——電子在里面跑起來特別快，反應也極其靈敏。

咱們現在用的芯片，大多是硅做的。硅這東西靠譜了幾十年，但就像跑步到了極限，再想提速越來越難。而硒化銦不一樣，它的“電子遷移率”（簡單說就是電子跑得多快）比硅高得多，打個比方，要是硅里的電子是騎自行車，那硒化銦里的電子就是騎摩托，速度差著量級呢。這意味著用它做的芯片，處理數據能更快，功耗還能更低，這可是未來電子設備的核心追求。

光材料好還不夠，得能“量產”才行，這就說到第二個關鍵點：“晶圓級集成制造”。咱們平時說的芯片，都是從“晶圓”上切下來的，晶圓就像一塊大蛋糕，越大越規整，能切出來的芯片就越多，成本也越低。但硒化銦這材料嬌貴，想做出大尺寸、高質量的晶圓，難上加難。

以前科學家們最多也就做出小塊的硒化銦薄片，想鋪滿整個晶圓，要么材料不均勻，要么表面坑坑洼洼，根本沒法用。而這次北大和人大的團隊，硬是攻克了這個難題，在國際上第一次做出了“高質量”的硒化銦晶圓。啥叫高質量？就是整個晶圓上的硒化銦薄膜厚度均勻，沒有雜質，性能穩定，就像一塊完美的大蛋糕，每一口味道都一樣。

更厲害的是，他們在這晶圓上直接做出了“晶體管陣列”。晶體管是芯片的基本單位，相當于一個個開關， billions（十億）個開關協同工作，才能實現復雜的計算。這次做出來的晶體管，性能直接“碾壓”了目前最先進的3納米硅基芯片。3納米是什么概念？差不多是幾個原子并排的寬度，已經是硅基技術的極限了。而硒化銦晶體管在開關速度、能效比這些核心指標上都超過了它，這就好比用新材料造出了比F1賽車還快的車，而且還更省油。

說到這兒，可能有人會問：這東西到底能給咱們帶來啥？咱從幾個方面鋪開了說。

首先是“高性能計算”。現在咱們用電腦處理大數據、玩3A游戲，總覺得不夠快，或者電腦風扇呼呼轉、發燙厲害，這都是因為硅基芯片的性能快到頂了。要是換成硒化銦芯片，未來的電腦可能運算速度翻好幾倍，同時還更省電，筆記本電腦用一天不插電都有可能，服務器機房的能耗也能大大降低，這對環保和成本控制都是大好事。

然后是“柔性電子設備”。硒化銦是層狀材料，天生柔韌，能彎能折。想想看，以后的手機屏幕可能像紙一樣能卷起來放口袋里，智能手表的表帶本身就是屏幕，甚至衣服上都能印上電路，監測健康數據。這些現在還停留在概念階段的產品，有了這種材料，可能很快就能走進現實。

還有“物聯網設備”。現在家里的智能音箱、傳感器越來越多，這些設備大多靠電池供電，頻繁換電池很麻煩。硒化銦芯片功耗低，能讓這些設備的續航時間大幅延長，可能半年甚至一年才換一次電池，用起來會方便得多。而且它反應快，能更靈敏地處理信號，比如煙霧報警器能更早預警，智能家居的響應速度也會像人與人對話一樣即時。

當然了，好東西想普及，總得跨過幾道坎，這就是咱們要聊的挑戰。

第一個坎是“材料制備”。現在做出高質量的硒化銦晶圓，成本還比較高，工藝也復雜。就像剛開始做硅晶圓時，一塊小晶圓都貴得嚇人，后來技術成熟了才便宜下來。硒化銦要走通這條路，得找到更簡單、更低成本的量產方法，比如優化原材料配比，改進生長設備，讓它像硅一樣能大規模生產。

第二個坎是“兼容性”。現在的半導體工廠，從設備到工藝，都是為硅基芯片設計的。硒化銦要想大規模應用，不能讓工廠全部推倒重來，得能“融入”現有體系。比如，它的厚度、導電性要能和現有電路設計兼容，焊接、封裝這些環節也得適配，這需要科研人員和工廠一起琢磨，找到平衡點。

第三個坎是“可靠性”。芯片這東西，得經得住“折騰”——高低溫、潮濕、震動，用個幾年性能也不能衰減太多。硒化銦是新材料，長期使用下會不會氧化？層與層之間會不會松動？這些都需要長期測試和改進。就像新手機上市前要經過摔打、泡水測試，硒化銦芯片也得通過各種“酷刑”，才能真正放心用在產品里。

不過話說回來，這些挑戰都是技術發展中必然會遇到的，當年硅基芯片剛出來時，也被質疑過“不穩定”“成本高”，但現在不也成了整個電子行業的基石嗎？這次北大和人大的突破，最關鍵的意義在于“打開了一扇門”——它證明了二維材料不僅能在實驗室里做出小塊樣品，還能真正走向工業化，做出性能超越現有技術的器件。

這事兒對咱們國家來說，意義就更特殊了。這些年，咱們在半導體領域一直被“卡脖子”，核心技術受制于人。而硒化銦這種新材料，全世界都在同一起跑線，咱們這次率先實現晶圓級集成，等于在新賽道上搶了個好位置。未來要是能在這上面持續突破，說不定能繞過傳統硅基技術的專利壁壘，走出一條自主可控的道路。

往遠了想，這可能只是一個開始。除了硒化銦，還有石墨烯、二硫化鉬等一大堆二維材料，都各有各的本事。這次的技術突破，相當于積累了一套“二維材料量產秘籍”，以后再研究其他材料，就能少走很多彎路。說不定再過十年，咱們用的手機芯片上，印著的就不是“硅”，而是“硒化銦”了。

總之，這事兒看著是個科研突破，其實離咱們的生活很近。它意味著更快的電腦、更耐用的手機、更酷炫的智能設備，更意味著咱們國家在科技領域又往前邁了堅實的一步。咱們就等著看，這小小的硒化銦，未來能掀起多大的波瀾吧！

來源: 科普文迅