La cadena industrial de semiconductores 2D de China se está formando rápidamente

Los semiconductores bidimensionales, también conocidos como semiconductores de capa atómica, son materiales cuya capa funcional central tiene un grosor de solo una capa atómica o pocas capas atómicas, representados por los compuestos de metales de transición y calcógenos (como el disulfuro de molibdeno), y son uno de los materiales clave de la era post-Moore. Cuando los procesos de chips basados en silicio se acercan a los límites físicos, los materiales semiconductores tradicionales de canal de silicio han alcanzado casi su techo de rendimiento. Los semiconductores bidimensionales (como el disulfuro de molibdeno, el seleniuro de tungsteno y el seleniuro de indio) aprovechan su ventaja natural de grosor a nivel atómico para lograr una capacidad intrínseca de control de puerta fuerte a escalas de canales cortos, con estructuras atómicamente planas a nivel de oblea, y se consideran los nuevos materiales no basados en silicio con mayor potencial en la era post-Moore.

Actualmente, se está acelerando la formación de un consenso industrial a nivel global. Gigantes internacionales de fabricación de obleas como TSMC, Intel y Samsung, así como instituciones de investigación de primer nivel como IMEC e IRDS, ya han definido claramente su estrategia en la vía de los semiconductores bidimensionales, previendo que se integrarán como componentes clave en sistemas de integración heterogénea tras el nodo de 1 nm. En junio de 2026, TSMC, junto con ASML e imec, presentó por primera vez en la conferencia VLSI la integración de n/pFET bidimensionales con un espaciado de puerta de contacto de 50 nm sobre obleas de 300 mm, lo que marca que los gigantes internacionales están acelerando la transición de los transistores bidimensionales desde el laboratorio hacia la línea de producción. En este contexto, la cadena industrial nacional también ha acelerado su implementación integral, logrando avances en la preparación de materiales, el desarrollo propio de equipos, la integración de chips y la construcción del ecosistema; la cadena de valor de los semiconductores bidimensionales está tomando forma.

Los semiconductores bidimensionales se consideran materiales clave para la fabricación de chips en la era post-silicio, pero la preparación a escala y de alta calidad de obleas de materiales semiconductores bidimensionales es un prerequisito para su aplicación industrial. Entre ellos, la deposición química de vapor (CVD) y la deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD) son tecnologías clave para lograr la fabricación a escala de materiales semiconductores bidimensionales en el futuro.

En el campo de crecimiento de dispositivos y materiales, el equipo del profesor Wang Xiran de la Universidad de Nanjing, en colaboración con su plataforma de transformación industrial Jiemoxin Technology, ha establecido un ciclo cerrado de profunda integración entre "innovación académica, desarrollo de equipos y validación de procesos", logrando avances significativos en la preparación de cristales monocristalinos bidimensionales a escala de oblea. En octubre de 2025, el equipo, utilizando el equipo Oxy-MOCVD 200 ultra desarrollado independientemente por Jiemoxin Technology (con componentes clave 100% fabricados en China), logró, mediante una ingeniería innovadora de sustratos, la primera producción a escala industrial a nivel mundial de cristales monocristalinos bidimensionales de compuestos de metales de transición y calcógenos de 6 pulgadas, compatibles con múltiples materiales como MoS₂, WS₂ y WSe₂, alcanzando una tasa de alineación unidireccional de dominios superior al 99% en obleas de 150 mm. En enero de 2026, el equipo colaboró con el equipo de la profesora Wang Jinlan de la Universidad del Sudeste para desarrollar una nueva tecnología de deposición química en fase vapor metalorgánica asistida por oxígeno (oxy-MOCVD), superando el cuello de botella en el control de la cinética de crecimiento: aumentó el tamaño promedio de los dominios de MoS₂ desde la escala de cientos de nanómetros hasta cientos de micrómetros, resolviendo así el problema de crecimiento uniforme a gran escala para producción masiva, y eliminando al mismo tiempo la contaminación por carbono desde su origen. Basándose en este proceso, Jiemoxin Technology completó una actualización profunda y personalizada del equipo, ofreciendo ahora una capacidad de proceso plug-and-play para clientes aguas abajo; actualmente, su sistema tecnológico cubre materiales semiconductores bidimensionales principales como MoS₂, MoSe₂, WS₂ y WSe₂. Sobre esta base, Jiemoxin Technology logró además, por primera vez a nivel mundial, la producción masiva de cristales monocristalinos bidimensionales de 8 pulgadas. Sus productos ya han sido adoptados por instituciones de investigación líderes como la Universidad de Cambridge y la Universidad Fudan, y ha establecido colaboraciones con empresas manufactureras de chips, cerrando así la etapa crítica desde muestras de laboratorio hasta materiales listos para línea de producción.

Además de los materiales n-type dominantes, la carencia en la fabricación a nivel de oblea de semiconductores bidimensionales p-type también ha sido superada. Al igual que en los dispositivos electrónicos basados en silicio, los monocristales a nivel de oblea de semiconductores bidimensionales n-type y p-type son la base y el prerequisito para construir circuitos integrados CMOS bidimensionales. Hasta la fecha, los investigadores han desarrollado múltiples materiales semiconductores bidimensionales n-type, entre los cuales MoS₂ y WS₂ ya han logrado la fabricación de monocristales a nivel de oblea; sin embargo, los semiconductores bidimensionales p-type que combinan alta movilidad y excelente estabilidad siguen siendo muy escasos, y lograr el crecimiento de monocristales a nivel de oblea de estos materiales resulta aún más difícil. En julio de 2026, el equipo del Instituto de Metalurgia del Instituto Chino de Ciencias logró un avance al producir con éxito obleas de monocristales monolayer de alto rendimiento de MoSi₂N₄ p-type. Este sistema de materiales fue creado originalmente por este equipo; anteriormente solo se podían fabricar películas policristalinas, cuyas fronteras de grano reducían significativamente el rendimiento del dispositivo y eran propensas a dañarse durante el proceso de transferencia; en esta investigación, mediante el efecto de guía de escalones en un sustrato monocristalino especial, se logró el crecimiento orientado y la unión sin costuras del material, completando por completo la carencia crítica de materiales p-type de alta calidad en los circuitos CMOS bidimensionales.

En la dirección de materiales destacados, el equipo de investigación del profesor Peng Hailin de la Universidad de Pekín logró por primera vez la preparación controlada de películas delgadas ferroeléctricas ultradelgadas y uniformes, así como sus estructuras heterogéneas, a escala de oblea, y construyó un transistor ferroeléctrico de alta velocidad con un voltaje de operación extremadamente bajo (0,8 V) y una durabilidad muy alta (más de 1,5 × 10¹² ciclos), cuyo rendimiento integral supera significativamente los sistemas ferroeléctricos de hafnio de nivel industrial, siendo el transistor ferroeléctrico conocido con el voltaje de operación más bajo, el menor consumo energético y la mejor durabilidad hasta la fecha. Por primera vez a nivel internacional, se demostró un sistema de materiales ferroeléctricos bidimensionales a escala de oblea de alto rendimiento, proporcionando una base material revolucionaria y una ruta tecnológica viable para el desarrollo de chips avanzados de alta eficiencia energética.

Los avances en materiales y dispositivos finalmente deben implementarse en un sistema de fabricación estandarizado.

El 9 de julio de 2026, la línea de producción de demostración de ingeniería de semiconductores bidimensionales de 8 pulgadas, construida por Yuan Jiwei Technology, se completó integralmente en Pudong, convirtiéndose en un hito nacional para la transición de los semiconductores bidimensionales desde la investigación científica hasta la industrialización. La línea de producción se encendió en enero de 2026 y, en solo seis meses, completó la calibración de todos los equipos y la optimización de los procesos. A diferencia de las plataformas piloto pequeñas de laboratorio, actualmente posee capacidades completas de fabricación y prototipado de ingeniería, estableciendo una cadena integral de ingeniería que abarca desde la preparación de materiales hasta la integración de chips. Antes de esto, la investigación sobre semiconductores bidimensionales en China se centraba principalmente en laboratorios universitarios, con la fabricación de dispositivos realizada principalmente en pequeñas series mediante procesos manuales, lo que generaba una gran brecha con los estándares industriales. El equipo de Yuan Jiwei logró, tras una década de esfuerzos, conectar todo el proceso de fabricación: crecimiento de obleas, procesos de integración, modelado de dispositivos, diseño de circuitos y empaquetado y pruebas.

El paquete de diseño de proceso (PDK) asociado también se ha implementado, eliminando aún más las barreras entre el diseño y la fabricación. La versión 0.1 del PDK de 500 nanómetros, lanzada originalmente por Jiji, es el primer IP de proceso compatible con la cadena principal de herramientas EDA en el campo de los semiconductores bidimensionales, e incluye un conjunto completo de herramientas como Pcell, DRC, LVS y PEX. La tasa de rendimiento del proceso supera el 99,99%, y sus indicadores generales rompen récords internacionales, acercándose básicamente al nivel de procesamiento equivalente en silicio, y en el futuro podrá respaldar el diseño y la fabricación en oblea de circuitos bidimensionales de hasta 100.000 transistores.

Con la integración de la línea de producción y el lanzamiento del PDK, los servicios de fabricación por contrato y el ecosistema industrial se han puesto en marcha simultáneamente. Equipos de universidades como la Universidad de Pekín, la Universidad Tsinghua, la Universidad Jiaotong de Shanghái y la Universidad de Nankín ya han firmado acuerdos de investigación y desarrollo con Yuanjiwei, abriendo oficialmente los servicios de fabricación de obleas al sector científico; empresas como el Instituto Pionero de Xi'an y Shanghai Erwei Star Technology también han establecido alianzas estratégicas en la cadena de suministro, desarrollando colaboraciones profundas en torno al compartir plataformas de procesos, la transformación de resultados y la construcción conjunta del ecosistema. Los apoyos industriales locales también están avanzando en paralelo: el distrito de Chuansha en Shanghái está atrayendo a empresas de toda la cadena de suministro alrededor de la línea piloto de Yuanjiwei; a nivel municipal, Shanghái ha incluido los semiconductores bidimensionales entre las industrias futuras prioritarias para su desarrollo, impulsando integralmente desde la investigación científica y la innovación colaborativa hasta la formación del ecosistema, con el objetivo de crear un ciclo industrial completo de “investigación-prueba a escala piloto-producción en masa”. Cabe destacar que la línea de producción de semiconductores bidimensionales puede reutilizar aproximadamente un 70 % de los equipos existentes de semiconductores basados en silicio, sin alterar el sistema industrial actual, sino más bien generando nuevos incrementos de mercado en áreas como materiales, equipos, fabricación y empaquetado avanzado.

A medida que el sistema de fabricación madura, los semiconductores bidimensionales también se están extendiendo desde el cálculo lógico hacia aplicaciones como el almacenamiento.

En el campo del cálculo lógico, China ha logrado el salto desde dispositivos hasta procesadores complejos. En 2025, se lanzó el primer microprocesador del mundo basado en materiales semiconductores bidimensionales con arquitectura RISC-V de 32 bits, denominado "Wuji", fabricado con disulfuro de molibdeno (MoS₂), que integra 5.900 transistores y tiene un grosor de solo 0,7 nanómetros, alcanzando una tasa de rendimiento del 99,77 % para inversores de un solo nivel. Este logro representa el desarrollo autónomo completo en toda la cadena, desde materiales hasta arquitectura y fabricación, validando la viabilidad de construir circuitos lógicos complejos con materiales bidimensionales. El procesador puede ejecutar secuencialmente 37 instrucciones RISC-V de 32 bits a una frecuencia de reloj de 1 kHz, cumpliendo con el conjunto de instrucciones enteras RV32I. Posee alto ganancia en un solo nivel y una corriente de fuga en estado apagado extremadamente baja, lo que lo hace adecuado para aplicaciones como IoT y computación perimetral.

En 2026, el equipo de Wang Xinran y Qiu Hao de la Universidad de Nankín, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Suzhou y Huawei, completó por primera vez el flujo integral de diseño, proceso y fabricación de chips semiconductores bidimensionales compatibles con líneas de producción Fab, logrando desarrollar el primer microprocesador paralelo multibit del mundo basado en disulfuro de molibdeno (MoS2), denominado "Mengqi (MAGIC)-1000". Esta innovación establece un nuevo récord mundial en densidad de integración de transistores para circuitos digitales no silicio emergentes, marcando el ingreso de China a una nueva fase de desarrollo en la investigación de semiconductores bidimensionales, caracterizada por la integración con líneas de producción industrial. Mediante una optimización coordinada entre niveles, el equipo integró 1.433 transistores MoS2 en un área de chip extremadamente compacta bajo un proceso industrial de 0,5 μm, logrando así el microprocesador "Mengqi-1000". Este chip utiliza el conjunto de instrucciones RISC y está compuesto por cuatro módulos principales: decodificador de instrucciones, banco de registros, unidad aritmético-lógica y multiplexores. La densidad de transistores integrados aumentó una orden de magnitud respecto al récord internacional previo, alcanzando 9.336 transistores/mm², comparable con tecnologías silicio maduras en el mismo nodo. Por primera vez, este chip logra operaciones paralelas multibit con semiconductores bidimensionales, alcanzando una frecuencia de trabajo máxima de 43 kHz, e integra un banco de registros en el chip, eliminando así los cuellos de botella de latencia y ancho de banda asociados con la memoria externa.

En el ámbito del almacenamiento, las características de ultra baja fuga de los semiconductores bidimensionales muestran un valor estratégico único. Un equipo conjunto de la Universidad Fudan ha desarrollado el transistor de semiconductor bidimensional con la corriente de fuga más baja registrada hasta la fecha. El equipo logró una corriente de fuga récord: equivalente a un solo electrón fugado cada 9,15 segundos. Sobre esta base, se diseñó un nuevo chip DRAM que logró un tiempo de retención de datos superior a 8.500 segundos sin voltaje de mantenimiento, al mismo tiempo que combinaba lectura y escritura rápidas con capacidad de almacenamiento múltiple. El DRAM de doble transistor sin condensador (2T0C) optimizado logró operaciones de almacenamiento cuasi no volátiles, precisión de almacenamiento de 5 bits y velocidades de escritura en nanosegundos. Yuan Jimei ya ha posicionado el DRAM como una dirección clave de inversión. Las características de ultra baja fuga de los semiconductores bidimensionales pueden reducir significativamente el consumo de energía de actualización, con perspectivas de implementación temprana en escenarios de borde y de alto rendimiento computacional, y futuramente aumentar la capacidad del DRAM mediante tecnologías de apilamiento tridimensional. En julio de 2026, el equipo de Zhou Peng y Liu Chunsen de la Universidad Fudan dio un paso adicional, observando por primera vez en condiciones de temperatura ambiente el comportamiento de almacenamiento no volátil de un solo electrón, y lograron crear un dispositivo con la ventana de almacenamiento cuántico no volátil más grande del mundo: solo se requiere inyectar un solo electrón para alcanzar una ventana de almacenamiento de 0,5 voltios. Esto marca el punto más alto alcanzado por la tecnología de almacenamiento de información por carga: “un electrón, un bit”.

Además de la computación y el almacenamiento, los semiconductores bidimensionales ofrecen ventajas insustituibles en más escenarios especializados. Como material SOI extremo, los semiconductores bidimensionales poseen ventajas únicas en aplicaciones como circuitos analógicos de radiofrecuencia, comunicaciones resistentes a la radiación e interfaces cerebro-computadora. En enero de este año, gracias a la plataforma satelital "Fudan-1", el sistema de comunicación de radiofrecuencia resistente a la radiación basado en semiconductores bidimensionales logró por primera vez una validación en órbita espacial. Además, los semiconductores bidimensionales pueden fabricarse como dispositivos flexibles y transparentes, lo que respalda el desarrollo de dispositivos para áreas de vanguardia como la detección optoelectrónica y la computación cuántica.

Actualmente, los semiconductores bidimensionales han salido completamente del laboratorio y han ingresado a una nueva etapa de validación de ingeniería y producción en pequeñas series. Desde el avance a nivel de oblea en la preparación de materiales, hasta la integración de ingeniería en las líneas de producción, y la implementación en aplicaciones de múltiples campos como cómputo y almacenamiento, cada eslabón de la cadena de valor de semiconductores bidimensionales en el país avanza aceleradamente, formando inicialmente una cadena de valor completa que abarca materiales, equipos, fabricación, diseño y aplicaciones.

En esta nueva área de semiconductores bidimensionales, la competencia internacional ya ha comenzado plenamente. La formación de esta nueva cadena de valor no solo ofrece nuevas posibilidades para la tecnología de chips en la era posterior a Moore, sino que también abre una nueva dimensión de competencia en la reestructuración del panorama global de la industria de semiconductores.

Este artículo proviene del canal de WeChat "Semiconductor Industry纵横" (ID: ICViews), autor: Pengcheng