铟化合物光电性能的创新应用：驱动新一代电子与光电子技术发展
摘要：铟，作为关键的稀散金属，其化合物（如氧化铟锡、磷化铟、硒化铟、氮化铟等）凭借独特且可调的光电性能，正成为突破当前半导体技术瓶颈的核心材料之一。近年来，相关创新研究从基础材料制备、性能调控到器件集成均取得了系列突破。这些进展不仅推动了传统显示与光电探测技术的极限，更在后摩尔时代集成电路、高速光通信、柔性电子等前沿领域展现出巨大潜力。本文综述了铟基材料在高性能计算晶体管、超高灵敏度光电探测器、大尺寸光电子集成及极端条件器件等方面的最新创新，并探讨了其未来发展趋势与技术挑战。
引言：铟的禀赋与时代机遇
铟是一种质地柔软、延展性极佳的稀有金属，其最广为人知的应用是氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜，它构成了现代触摸屏的基石。然而，铟的潜力远不止于此。在元素周期表中，铟位于第IIIA族，其化合物普遍具备高载流子迁移率、可调的直接带隙以及优异的光电响应特性。这些禀赋使其成为应对多项技术挑战的关键材料：当硅基芯片制程逼近物理极限时，二维硒化铟（InSe）被视为突破性能天花板的“黄金半导体”；当光通信向更高速率演进时，磷化铟（InP）是不可或缺的衬底与有源材料；当探测技术追求更高灵敏与更快响应时，各类铟基化合物（如InSe, In₂O₃）通过界面与结构工程实现了性能的飞跃。
下表概述了几种关键铟基化合物的特性及其对应的创新应用方向：
材料体系 | 核心光电特性 | 主要创新应用方向 | 近期代表性突破 |
硒化铟（InSe） | 超高电子迁移率（>1000 cm²/V·s）、低电子有效质量、适中直接带隙 | 后摩尔时代超低功耗晶体管、高性能柔性光电探测器 | 实现晶圆级二维InSe制备，晶体管性能超越3纳米硅节点；铁电栅控InSe探测器实现超高光响应率 |
磷化铟（InP） | 直接带隙、高电子饱和漂移速度、优异的光电转换效率 | 高速光通信激光器/探测器、太赫兹器件、量子光芯片 | 实现6英寸InP基外延生长全链条国产化，推动光芯片成本降低30%-40% |
氧化铟（In₂O₃）及其掺杂 | 宽禁带（~3.6 eV）、高透光性、可通过掺杂调控电学性能 | 深紫外光电探测器、透明电子器件 | 通过前驱体流量精确调控，制备出超高响应率（2.53×10³ A/W）的紫外探测器 |
碲化铟（InTe） | 窄带隙、高压下可诱导金属化相变 | 高压/极端环境光电开关、红外探测与热电转换 | 发现光-压协同效应可显著降低其金属化压力阈值，实现光控高压开关 |
含铟III族氮化物（如InGaN, InAlN） | 带隙连续可调（覆盖红外到紫外）、强极化效应 | 全光谱固态照明、紫外光电探测、高频电子器件 | 在理论计算与材料生长上取得进展，用于研制高性能发光与探测器件 |
一、 后摩尔时代电子学的创新：二维铟基半导体的突破
随着硅基芯片微缩日益艰难，寻找具有更高迁移率和更低功耗的沟道材料成为当务之急。二维硒化铟（InSe）因其接近理论极限的电子输运性能而脱颖而出。
1. 材料制备的革命性进展：长期以来，高质量、大尺寸InSe单晶薄膜的制备是最大瓶颈。2025年，北京大学刘开辉课题组创新性地提出了 “固-液-固”生长策略，首次成功制备出2英寸高质量二维InSe单晶晶圆。该方法通过液态铟构建富铟生长界面，有效控制了铟与硒的化学计量比，解决了元素蒸气压差异巨大导致的成分偏离难题，实现了晶圆级、高纯相、高结晶度InSe的制备。
2. 器件性能的颠覆性表现：基于此材料制造的场效应晶体管阵列展现了惊人性能：平均电子迁移率达287 cm²/V·s，亚阈值摆幅低至67 mV/dec（接近玻尔兹曼极限）。尤为重要的是，沟道长度缩至10纳米时，其开/关比、漏致势垒降低（DIBL）、室温弹道率等关键指标全面优于商业化的英特尔3纳米硅节点技术。模拟显示，其延迟时间和功耗延迟积甚至优于2037年国际器件与系统路线图（IRDS）对硅技术的预测极限。这标志着InSe已成为目前最有希望将二维半导体从实验室推向先进集成电路制造的候选材料。
二、 光电探测与传感的创新：从极致灵敏到功能智能
光电探测器是将光信号转换为电信号的核心元件，铟基材料通过多种新机制实现了性能的跨越式提升。
1. 界面工程抑制暗电流：暗电流是限制探测器灵敏度的关键因素。中国科学院物理研究所团队利用六方氮化硼（h-BN）与InSe构建原子级锐利界面，极大降低了载流子散射，将晶体管迁移率提升至1146 cm²/V·s，开关比达10¹⁰。进一步，他们采用铁电聚合物栅介质，利用其强大的极化电场深度耗尽沟道中的背景载流子，将InSe探测器的暗电流压制至极低的10⁻¹⁴ A量级，从而将光开关比提升至10⁸，光响应率高达14250 A/W，探测率达到1.63×10¹³ Jones，比此前报道提高了两个数量级。
2. 缺陷工程优化薄膜性能：对于宽禁带的氧化铟（In₂O₃）紫外探测器，氧空位是导致性能劣化的主因。2024年的研究通过精确调控金属有机源三甲基铟（TMIn）的流量，有效抑制了氧空位浓度和薄膜粗糙度。当流量从50 sccm优化至5 sccm时，器件暗电流降低了五个数量级，光暗电流比从0提升至2589，并实现了2.53×10³ A/W的创纪录高响应率。这为高性能、低成本氧化物半导体光电器件的可控制备提供了清晰路径。
3. 极端环境下的新效应与应用：天津工业大学的研究揭示了碲化铟（InTe）在高压下的新奇特性：在绿光激发下，其发生绝缘体-金属相变的压力阈值可从5.0 GPa降低至4.4 GPa。这种“光-压协同”效应源于光生载流子提升了电导，强化了光电响应。该发现为开发用于深海探测、地质勘探等极端环境下的光控压力传感或调制器件提供了全新的原理支持。
三、 光电子集成与通信的创新：大尺寸化与国产化突破
磷化铟（InP）是制备光纤通信核心光源（激光器）与探测器（探测器）的基石材料。其创新重点在于如何实现大尺寸、低成本、高质量的产业化制备。
九峰山实验室于2025年实现了里程碑式的突破：成功开发出6英寸磷化铟基激光器和探测器的外延生长工艺，关键性能指标达到国际先进水平。这不仅填补了国内技术空白，更通过采用国产MOCVD设备和衬底，首次实现了从核心装备、衬底材料到外延工艺的全链条国产化。与行业主流的3英寸工艺相比，6英寸晶圆的面积大幅增加，预计能使光芯片制造成本下降30%-40%，极大提升了我国在高速光模块、激光雷达、太赫兹通信等领域的产业竞争力和供应链安全。
四、 总结与展望
综上所述，铟基光电材料正通过低维化、异质集成、缺陷精准调控、大尺寸制备等多维度的创新，全面赋能新一代电子与光电子技术。从有望延续摩尔定律的二维InSe晶体管，到灵敏度逼近极限的InSe与In₂O₃探测器，再到支撑信息高速公路的6英寸InP晶圆，这些创新共同勾勒出铟基半导体广阔的应用前景。
然而，挑战依然存在：二维InSe晶圆的量产工艺与集成技术仍需深入开发；铟作为稀缺资源，其回收利用和替代材料研究需同步加强；各类新型器件的长期可靠性与标准化也是产业化必须跨越的门槛。未来，铟基光电材料的创新将继续沿着“材料-器件-系统”的路径深化，通过与硅基CMOS工艺的异质集成、面向人工智能与传感的计算光电子学等跨领域融合，在更深刻的层面改变信息技术的发展图景。