سلسلة صناعة الرقائق الثنائية الأبعاد في الصين تتخذ شكلاً سريعًا

المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد، المعروفة أيضًا باسم المواد شبه الموصلة الطبقية الذرية، هي مواد شبه موصلة ذات طبقة وظيفية أساسية بسمك طبقة ذرية واحدة أو بضع طبقات ذرية، وتشمل على سبيل المثال مركبات المعادن الانتقالية الكبريتية مثل موليبدنوم ديسولفيد. وهي واحدة من المواد الأساسية في عصر ما بعد مور. مع اقتراب تقنيات رقائق السيليكون من الحدود الفيزيائية، وصلت مواد السيليكون التقليدية المستخدمة كقنوات إلى سقف أدائها. تمتلك المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد (مثل موليبدنوم ديسولفيد، وتنغستن ديسيلينيد، وانديوم سيلينيد) ميزة طبيعية تتمثل في سمكها على المستوى الذري، مما يمكنها من تحقيق قدرة تحكم في البوابة قوية بشكل طبيعي عند مقاييس القناة القصيرة، مع الحفاظ على بنية مسطحة ذرية على مستوى الألواح، مما يجعلها من أكثر المواد غير السيليكونية وعدًا في عصر ما بعد مور.

حاليًا، يتسارع تشكيل إجماع صناعي عالمي. فقد حددت كبريات شركات تصنيع الرقائق العالمية مثل TSMC وIntel وSamsung، بالإضافة إلى مؤسسات بحثية رائدة مثل IMEC وIRDS، استراتيجياتها بوضوح في مجال أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، وتشير التقديرات إلى أنها ستُدمج كمكونات أساسية في الأنظمة المتكاملة المتنوعة بعد عقد 1 نانومتر. وفي يونيو 2026، عرضت TSMC بالتعاون مع ASML وimec لأول مرة في مؤتمر VLSI تكامل أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد n/pFET على رقاقة بقطر 300 مم بمسافة 50 نانومتر بين بوابات الاتصال، مما يشير إلى أن كبريات الشركات العالمية تُسرّع من نقل الترانزستورات ثنائية الأبعاد من المختبر إلى خطوط الإنتاج. وفي هذا السياق، تتسارع أيضًا التحركات داخل سلسلة التوريد المحلية، حيث حققت تقدمًا في جميع مراحل السلسلة — من إعداد المواد وتطوير المعدات ذاتيًا إلى تكامل الرقائق وبناء النظام البيئي — مما يُشكل حاليًا سلسلة صناعية متكاملة لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد.

يُعتبر شبه الموصل ثنائي الأبعاد مادة أساسية لتصنيع الرقائق في عصر ما بعد السيليكون، لكن إعداد وفرة ورقائق عالية الجودة من مواد شبه الموصل ثنائي الأبعاد هو شرط مسبق لتطبيقها الصناعي. ومن بين هذه التقنيات، فإن الترسيب الكيميائي بالبخار (CVD) والترسيب الكيميائي بالبخار المعدني العضوي (MOCVD) هما التقنيتان الرئيسيتان لتحقيق التصنيع الواسع النطاق لمواد شبه الموصل ثنائي الأبعاد في المستقبل.

في مجال تجهيز الأجهزة ونمو المواد، تعاون فريق البروفيسور وانغ شينران من جامعة نانجينغ مع منصة تحويلها الصناعي جي مو شين كي، وشكّلوا دائرة مغلقة متكاملة تجمع بين "الابتكار الأكاديمي—تطوير المعدات—التحقق من العمليات"، وحققوا تقدماً متتالياً في إنتاج بلورات أحادية من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد على مستوى الألواح. في أكتوبر 2025، استخدم الفريق جهاز Oxy-MOCVD 200 ultra الذي طوره بشكل مستقل عبر جي مو شين كي (بمكونات أساسية 100% صينية الصنع)، ومن خلال تقنية مبتكرة لمعالجة الركيزة، قدم أول إنتاج تجاري عالمي على الإطلاق لبلورات أحادية من مركبات كبريتيد المعادن الانتقالية ثنائية الأبعاد بحجم 6 بوصات، وهو ما يتوافق مع مواد متعددة مثل MoS₂ وWS₂ وWSe₂، مع تحقيق معدل توجيه موحد للنطاقات يتجاوز 99% على ألواح بقطر 150 ملم. في يناير 2026، بالتعاون مع فريق البروفيسور وانغ جينلان من جامعة جنوب شرق، طوّر الفريق تقنية جديدة للترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني المدعوم بالأكسجين (oxy-MOCVD)، وتجاوز عقبة التحكم الديناميكي في النمو، فرفع حجم النطاقات المتوسط لثاني كبريتيد الموليبدنيوم من مستوى الميكرومترات إلى مئات الميكرومترات، مما حل مشكلة النمو الموحّد على نطاق واسع للإنتاج الضخم، وأزال في المصدر مشكلة تلوث الكربون. استناداً إلى هذه العملية، أكملت جي مو شين كي ترقيات مخصصة عميقة للمعدات، مما يوفر قدرات تصنيع "Plug and Play" للجهات التابعة، حيث تغطي حالياً نظام التكنولوجيا مواد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد الرئيسية مثل MoS₂ وMoSe₂ وWS₂ وWSe₂. وعلى هذا الأساس، حققت جي مو شين كي أيضاً أول إنتاج تجاري عالمي لبلورات أحادية ثنائية الأبعاد بحجم 8 بوصات، وقد دخلت منتجاتها مؤسسات بحثية رائدة مثل جامعة كامبريدج وجامعة فودان، ووقعت شراكات مع شركات تصنيع الرقائق الإلكترونية، مما أكمل الخطوة الحاسمة من العينات المختبرية إلى المواد الصناعية.

بالإضافة إلى المواد النموذجية من النوع n، تم سد الفجوة في إنتاج وفرات من المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد من النوع p. وعلى غرار أجهزة الإلكترونيات القائمة على السيليكون، فإن البلورات الأحادية على مستوى الوفرة من المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد من النوع n وp هي الأساس والشرط المسبق لبناء الدوائر المتكاملة ثنائية الأبعاد CMOS. حتى الآن، طور الباحثون العديد من مواد شبه الموصلات ثنائية الأبعاد من النوع n، حيث تم بالفعل إنتاج بلورات أحادية على مستوى الوفرة لمواد مثل MoS2 وWS2؛ ومع ذلك، فإن المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد من النوع p التي تجمع بين كفاءة حركة عالية واستقرار ممتاز لا تزال نادرة جدًا، وتحقيق نمو بلورات أحادية على مستوى الوفرة لهذه المواد أكثر صعوبة. في يوليو 2026، حقق فريق معهد معادن الأكاديمية الصينية للعلوم اختراقًا، حيث نجح في إنتاج وفرات بلورات أحادية من طبقة واحدة عالية الأداء من النوع p من MoSi₂N₄. تم ابتكار هذا النظام المادي من قبل الفريق، وكان من الممكن سابقًا إنتاج أفلام متعددة البلورات فقط، حيث تقلل فجوات الحدود البلورية بشكل كبير من أداء الأجهزة، كما تكون عرضة للتلف أثناء النقل والمعالجة؛ وقد نجح هذا البحث من خلال استخدام تأثير التوجيه الناتج عن درجات قاعدة بلورية أحادية خاصة، في تحقيق نمو موجه للمادة وربطها دون فجوات، مما سد بشكل كامل العيب الأساسي الطويل الأمد في دوائر CMOS ثنائية الأبعاد المتمثل في نقص المواد p عالية الجودة.

في مجال المواد المميزة، نجح فريق البحث بقيادة البروفيسور بانغ هيلين من جامعة بكين لأول مرة في التحضير المُحكم لفيلم فرّي كهربائي رقيق وموحّد على نطاق واسع من الرقائق، بالإضافة إلى هياكله المركبة، وبنى ترانزستور فرّي كهربائي عالي السرعة يعمل بجهد منخفض جدًا (0.8 فولت) وذو متانة عالية جدًا (أكثر من 1.5 × 10¹² دورة)، حيث تفوق أداؤه الشامل بشكل ملحوظ على الأنظمة الفرّي كهربائية القائمة على الهافنيوم الصناعية الحالية، ليصبح أصغر ترانزستور فرّي كهربائي معروف من حيث الجهد التشغيلي، وأقلها استهلاكًا للطاقة، وأفضلها متانة. كما قدم الفريق لأول مرة على مستوى عالمي نظامًا متكاملاً من المواد الفرّي كهربائية ثنائية الأبعاد على نطاق واسع من الرقائق، مما يوفر أساسًا ماديًا ثوريًا ومسارًا تقنيًا قابلًا للتطبيق لتطوير رقائق متقدمة ذات كفاءة طاقية عالية.

الإنجازات في المواد والأجهزة تحتاج في النهاية إلى التحقيق في نظام تصنيع قياسي.

في 9 يوليو 2026، تم إنجاز خط إنتاج تجريبي متكامل بحجم 8 بوصات لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، تم بناؤه من قبل يوان جي مي، في بودونغ، ليصبح علامة فارقة في تطور أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد في الصين من البحث العلمي إلى التحول الصناعي. تم تشغيل خط الإنتاج هذا في يناير 2026، وتم إكمال ضبط جميع المعدات وتحسين العمليات خلال أقل من ستة أشهر فقط. وعلى عكس منصات التجربة الصغيرة في المختبرات، فإن هذا الخط يمتلك الآن قدرات كاملة لإنتاج الرقائق وتجربة التصنيع الهندسي، مما يخلق سلسلة هندسية متكاملة تبدأ من إعداد المواد وحتى دمج الرقائق. قبل ذلك، كانت أبحاث أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد في الصين تتركز بشكل رئيسي في مختبرات الجامعات، مع إنتاج الأجهزة بشكل يدوي وبكميات صغيرة، مما خلق فجوة كبيرة مع المعايير الصناعية. وقد استغرق فريق يوان جي مي عشر سنوات من الجهد المتواصل لفتح المسار الكامل للتصنيع، والذي يشمل نمو الرقائق، وتقنيات الدمج، ونمذجة الأجهزة، وتصميم الدوائر، واختبار التغليف.

تم إطلاق حزمة أدوات التصميم التقني (PDK) المصاحبة في نفس الوقت، مما فتح بشكل إضافي الحواجز بين التصميم والتصنيع. كانت النسخة 0.1 من PDK بحجم 500 نانومتر، المبنية على خط إنتاج تجريبي بحجم 8 بوصات، والتي أصدرتها يوان جي، أول بروتوكول IP في مجال أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد متوافق مع سلسلة أدوات EDA الرئيسية، وتشمل حزمة كاملة من الأدوات مثل Pcell وDRC وLVS وPEX، مع معدل إنتاجية يتجاوز 99.99٪، وتجاوزت جميع المؤشرات السجلات الدولية، ووصلت تقريبًا إلى مستوى التصنيع المكافئ القائم على السيليكون، ويمكنها دعم تصميم الدوائر ثنائية الأبعاد بمستوى عشرة آلاف قنوات وتصنيعها على مستوى الرقاقة في المستقبل.

مع اكتمال خط الإنتاج وإطلاق PDK، تم تشغيل خدمات التصنيع المتعاقد عليها وبيئة الصناعة في وقت واحد. وقد وقّعت فرق من جامعات مثل جامعة بكين، وجامعة تسينغهوا، وجامعة شنغهاي جياو تونغ، وجامعة نانجينغ، إلخ، اتفاقيات بحث وتطوير مع يوان جي وي، مما يفتح خدمات تصنيع الرقائق رسميًا أمام القطاع الأكاديمي؛ كما أبرمت شركات مثل معهد شيآن المتقدم وشركة شنغهاي إيرد ستار تكنولوجيز شراكات استراتيجية في سلسلة التوريد، وستتعاون بشكل عميق في مجالات مشاركة منصة التصنيع، وتحويل النتائج، وبناء البيئة الصناعية. كما تتبع المبادرات المحلية بنفس الوتيرة، حيث جذبت بلدة تشوانشا الجديدة في شنغهاي، التي تستخدم خط تجريب يوان جي وي كمنصة رئيسية، شركات من جميع أطراف سلسلة التوريد؛ كما أدرجت حكومة شنغهاي على مستوى المدينة أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد كاتجاه رئيسي للتنمية المستقبلية، وتُقدّم دعمًا شاملاً يشمل البحث العلمي، والابتكار التعاوني، وبناء البيئة، بهدف إنشاء دائرة صناعية متكاملة تشمل "البحث والتطوير—التجريب—الإنتاج الضخم". стоит ملاحظة أن خط إنتاج أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد يمكنه إعادة استخدام حوالي 70٪ من معدات أشباه الموصلات القائمة على السيليكون، مما لا يُغيّر النظام الصناعي القائم، بل سيُولّد زيادة جديدة في الأسواق في مجالات المواد، والمعدات، والتصنيع، والتغليف المتقدم.

مع نضج نظام التصنيع، تتوسع المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد أيضًا من الحساب المنطقي إلى تطبيقات مثل التخزين.

في مجال الحساب المنطقي، أكملت الصين بالفعل الانتقال من المكونات إلى المعالجات المعقدة. في عام 2025، تم إطلاق أول معالج دقيق عالمي يعتمد على مواد شبه موصلة ثنائية الأبعاد وذو بنية RISC-V بحجم 32 بت، يُسمى "ووجي"، باستخدام مادة موليبدنوم ديسولفيد (MoS2)، ويتضمن 5900 ترانزستور، بسمك لا يزيد عن 0.7 نانومتر، مع كفاءة إنتاجية تصل إلى 99.77% لعوامل العكس الأحادية المستوى، مما يحقق تطويرًا ذاتيًا كاملًا يغطي المواد والبنية وعملية التصنيع، ويؤكد جدوى بناء دوائر منطقية معقدة باستخدام المواد ثنائية الأبعاد. يمكن لهذا المعالج تنفيذ 37 تعليمة RISC-V بحجم 32 بت بشكل متسلسل عند تردد ساعة قدره 1 كيلو هرتز، ويستوفي متطلبات مجموعة تعليمات RV32I الصحيحة. يتميز بأداء عالٍ في الكسب الأحادي المستوى وتسريب منخفض جدًا في الحالة المغلقة، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات إنترنت الأشياء والحوسبة الطرفية.

في عام 2026، قام فريق وانغ شينران وتشيو هاو من جامعة نانجينغ بالتعاون مع مختبر سوتشو الوطني وهواوي، بتوحيد عملية تصميم-تصنيع-إنتاج رقائق أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد المتوافقة مع خطوط إنتاج Fab، ونجح في تطوير أول معالج دقيق متعدد البتات من موليبدنوم ديسولفيد (MoS2) في العالم، "مينغتشي (MAGIC)-1000"، مسجلاً كثافة تكامل الترانزستورات الأعلى على الإطلاق في الدوائر الرقمية غير السيليكونية الناشئة، مما يشير إلى دخول البحث الصيني في أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد مرحلة جديدة من التكامل مع خطوط الإنتاج. وباستخدام تحسين تعاوني عبر مستويات متعددة، قام الفريق بتكامل 1433 ترانزستور MoS2 في مساحة رقاقة فائقة الصغر ضمن عملية صناعية بحجم 0.5 ميكرومتر، ونجح في تطوير معالج "مينغتشي-1000". تعتمد هذه الرقاقة على مجموعة تعليمات RISC، وتتكون من أربعة وحدات رئيسية: وحدة فك التعليمات، ومصفوفة السجلات، ووحدة الحساب المنطقية، ومُحدِّدات متعددة المدخلات. وتحقيقًا لكثافة تكامل ترانزستورات أعلى بمرتبة واحدة من السجل الدولي السابق، وصلت الكثافة إلى 9336 ترانزستور/مم²، وهي مماثلة لتقنيات السيليكون الناضجة في نفس العقد. وقد حققت الرقاقة لأول مرة عمليات حسابية متوازية متعددة البتات باستخدام أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، مع تردد عمل أقصى يصل إلى 43 كيلو هرتز، كما قامت بتكامل مصفوفة سجلات على الرقاقة، مما أزال التأخير وحاجز النطاق الترددي الناتج عن الذاكرة الخارجية.

في مجال التخزين، تُظهر خاصية التسرب المنخفض جدًا للأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد قيمة استراتيجية فريدة. طور فريق مشترك من جامعة فودان أصغر ترانزستور أشباه موصلات ثنائية الأبعاد من حيث تيار التسرب حتى الآن. نجح الفريق في تحقيق تيار تسرب فائق المنخفض — يعادل تسرب إلكترون واحد فقط كل 9.15 ثانية. وباستخدام هذا الأساس، تم تطوير رقاقة ذاكرة DRAM جديدة تحقق فترة احتفاظ بيانات فائقة الطول تزيد عن 8500 ثانية عند جهد احتفاظ صفر، مع الحفاظ في الوقت نفسه على سرعة قراءة/كتابة عالية وقدرة تخزين متعددة السعة. وقد حققت ذاكرة DRAM ثنائية الترانزستور وخالية من المكثف (2T0C) المُحسَّنة عملية تخزين شبه غير متطايرة، ودقة تخزين بخمسة بتات، وسرعة كتابة على مستوى النانوثانية. وقد جعلت Yuan Jiwei من DRAM اتجاهًا رئيسيًا للتركيز. يمكن لخاصية التسرب المنخفض جدًا للأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد تقليل استهلاك الطاقة أثناء التحديث بشكل كبير، ويتوقع أن تُطبَّق أولًا في السيناريوهات الطرفية وذات الحوسبة الكبيرة، مع تحسين سعة DRAM تدريجيًا في المستقبل من خلال دمج تقنيات التكديس الثلاثي الأبعاد. في يوليو 2026، قدم فريق تشو بونغ-ليو تشونسين من جامعة فودان خطوة إضافية، حيث راقبوا لأول مرة سلوك تخزين غير متطاير للإلكترون الواحد في بيئة درجة حرارة الغرفة، وبنوا جهازًا يمتلك أكبر نافذة تخزين كمي غير متطايرة في العالم — حيث يكفي حقن إلكترون واحد واحد فقط لخلق نافذة تخزين تصل إلى 0.5 فولت. وهذا يمثل ذروة تقنية تخزين المعلومات الكهربائية عند مستوى "إلكترون واحد، بت واحد".

بخلاف الحوسبة والتخزين، تتمتع أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد بميزات لا يمكن التعويض عنها في سيناريوهات مميزة أخرى. كمواد SOI قصوى، تتمتع أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد بمزايا فريدة في تطبيقات مثل الدوائر الراديوية التناظرية، والاتصالات المقاومة للإشعاع، وواجهات الدماغ-الحاسوب. وفي يناير من هذا العام، نجح نظام اتصالات راديوية مقاوم للإشعاع قائم على أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد لأول مرة في إجراء اختبار في المدار عبر منصة القمر الصناعي "فودان-1". كما يمكن تصنيع أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد كأجهزة مرنة وشفافة، مما يدعم تطوير أجهزة في مجالات متقدمة مثل الاستشعار الضوئي والإلكتروني والحوسبة الكمية.

حاليًا، تجاوزت أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد مرحلة المختبر ودخلت مرحلة جديدة من التحقق الهندسي وإنتاج عينات صغيرة. من الإنجازات على مستوى الألواح في إعداد المواد، إلى التكامل الهندسي لخطوط الإنتاج، وحتى التطبيق العملي في مجالات متعددة مثل الحوسبة والتخزين، فإن كل حلقة في سلسلة توريد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد المحلية تتسارع، وتشكل حاليًا سلسلة توريد متكاملة تغطي المواد، والمعدات، والتصنيع، والتصميم، والتطبيقات.

على مسار شبه الموصلات ثنائية الأبعاد الناشئ، قد اندلعت المنافسة الدولية بشكل شامل. إن تشكّل سلسلة القيمة الناشئة هذه لا يوفر فقط إمكانيات جديدة لتكنولوجيا الرقائق في عصر ما بعد مور، بل يفتح أيضًا بعدًا تنافسيًا جديدًا في إعادة تشكيل خريطة صناعة أشباه الموصلات العالمية.

هذا المقال من حساب وينشين الرسمي "أفق صناعة أشباه الموصلات" (ID: ICViews)، الكاتب: بيونغ تشينغ