La chaîne industrielle chinoise des semi-conducteurs 2D prend rapidement forme

Les semi-conducteurs bidimensionnels, également appelés semi-conducteurs en couche atomique, sont des matériaux dont la couche fonctionnelle centrale ne mesure qu’un seul atome ou quelques couches atomiques, avec les chalcogénures de métaux de transition (comme le disulfure de molybdène) comme représentants typiques. Ils constituent l’un des matériaux clés de l’ère post-Moore. Lorsque les processus de fabrication de puces au silicium approchent les limites physiques, les matériaux semi-conducteurs traditionnels à canal de silicie atteignent leur plafond de performance. Les semi-conducteurs bidimensionnels (tels que le disulfure de molybdène, le diséléniure de tungstène et le séléniure d’indium) bénéficient d’un avantage naturel lié à leur épaisseur à l’échelle atomique, permettant d’obtenir une capacité de commande de grille intrinsèquement forte à l’échelle des canaux courts, grâce à une structure atomiquement plane à l’échelle des wafers. Ils sont considérés comme les nouveaux matériaux non-silicium les plus prometteurs de l’ère post-Moore.

Actuellement, un consensus industriel mondial se forme rapidement. Des géants internationaux de la fabrication de wafers tels que TSMC, Intel et Samsung, ainsi que des institutions de recherche de premier plan comme IMEC et IRDS, ont clairement investi dans le secteur des semi-conducteurs bidimensionnels, anticipant qu’ils deviendront des composants centraux intégrés dans des systèmes hétérogènes après le nœud 1 nm. En juin 2026, TSMC a présenté en collaboration avec ASML et imec, lors du congrès VLSI, la première intégration de n/pFET bidimensionnels sur un wafer de 300 mm avec un espacement de grille de contact de 50 nm, marquant le fait que les grands acteurs internationaux accélèrent le passage des transistors bidimensionnels du laboratoire à la ligne de production. Dans ce contexte, la chaîne industrielle nationale a également accéléré son déploiement complet, réalisant des avancées dans la préparation des matériaux, le développement autonome d’équipements, l’intégration de puces et la construction d’un écosystème ; la chaîne de valeur des semi-conducteurs bidimensionnels est en train de se former.

Les semi-conducteurs bidimensionnels sont considérés comme des matériaux clés pour la fabrication de puces à l'ère post-silicium, mais la préparation à grande échelle et de haute qualité de substrats en silicium est une condition préalable à leur application industrielle. Parmi ceux-ci, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD) sont des technologies clés pour réaliser la fabrication à grande échelle de matériaux semi-conducteurs bidimensionnels.

Dans le domaine de la croissance de matériaux et d’équipements, l’équipe du professeur Wang Xinran de l’Université de Nanjing, en collaboration avec sa plateforme de transformation industrielle Jiyue Xintech, a établi un cycle fermé intégré combinant innovation académique, développement d’équipements et validation de procédés, réalisant ainsi une série d’avancées dans la préparation de monocristaux de semi-conducteurs bidimensionnels à l’échelle des wafers. En octobre 2025, l’équipe, en s’appuyant sur l’équipement Oxy-MOCVD 200 ultra développé en interne par Jiyue Xintech (dont les composants clés sont entièrement fabriqués en Chine), a, grâce à une ingénierie innovante des substrats, publié pour la première fois au monde la production à grande échelle d’un monocristal bidimensionnel de composés de métaux de transition et de chalcogènes de 6 pouces, compatible avec plusieurs matériaux tels que MoS₂, WS₂ et WSe₂, avec un taux d’alignement unidirectionnel des domaines dépassant 99 % sur des wafers de 150 mm. En janvier 2026, en collaboration avec l’équipe du professeur Wang Jinlan de l’Université du Sud-Est, l’équipe a développé une nouvelle technologie de dépôt chimique en phase vapeur par métal organique assisté par oxygène (oxy-MOCVD), surmontant les limitations du contrôle de la cinétique de croissance : elle a augmenté la taille moyenne des domaines de MoS₂ de quelques centaines de nanomètres à plusieurs centaines de micromètres, résolvant ainsi le problème de la croissance uniforme à grande échelle pour la production industrielle, tout en éliminant à la source le problème de contamination au carbone. Sur la base de ce procédé, Jiyue Xintech a effectué une mise à jour approfondie et personnalisée de ses équipements, offrant désormais une capacité de processus plug-and-play aux clients en aval. Le système technologique actuel couvre désormais les principaux matériaux semi-conducteurs bidimensionnels tels que le MoS₂, le MoSe₂, le WS₂ et le WSe₂. Sur cette base, Jiyue Xintech a ensuite réalisé pour la première fois au monde la production industrielle de monocristaux bidimensionnels de 8 pouces ; ses produits sont déjà utilisés par des institutions de recherche de premier plan telles que l’Université de Cambridge et l’Université Fudan, et des partenariats ont été conclus avec des entreprises manufacturières de puces, franchissant ainsi une étape cruciale : le passage des échantillons de laboratoire aux matériaux adaptés à la ligne de production.

Outre les matériaux de type n dominants, les lacunes dans la fabrication à l'échelle du wafer des semi-conducteurs bidimensionnels de type p ont également été comblées. Comme pour les dispositifs électroniques à base de silicium, les monocristaux à l'échelle du wafer de semi-conducteurs bidimensionnels de type n et de type p constituent la base et la condition préalable à la construction de circuits intégrés CMOS bidimensionnels. À ce jour, les chercheurs ont développé plusieurs matériaux semi-conducteurs bidimensionnels de type n, dont le MoS₂ et le WS₂ ont déjà été fabriqués sous forme de monocristaux à l'échelle du wafer ; toutefois, les semi-conducteurs bidimensionnels de type p présentant à la fois une mobilité élevée et une excellente stabilité restent extrêmement rares, et leur croissance en monocristaux à l'échelle du wafer s'avère encore plus difficile. En juillet 2026, l'équipe de l'Institut de métallurgie de l'Académie chinoise des sciences a réalisé une percée en réussissant à fabriquer un wafer monocristallin de grande surface et de haute performance de MoSi₂N₄ en monocouche. Ce système matériel, entièrement original de cette équipe, n'avait jusqu'alors pu être produit qu'en films polycristallins, dont les joints de grains réduisaient considérablement les performances des dispositifs et les rendaient vulnérables aux ruptures lors du transfert et du traitement. Cette étude a permis, grâce à l'effet d'orientation induit par les marches d'un substrat monocristallin spécifique, d'obtenir une croissance directionnelle et une jonction sans défaut du matériau, comblant ainsi définitivement le principal manque de matériaux de type p de qualité pour les circuits CMOS bidimensionnels.

Dans le domaine des matériaux innovants, l'équipe de recherche du professeur Peng Hailin de l'Université de Pékin a réalisé pour la première fois la préparation contrôlée de films ferroélectriques ultra-minces et uniformes à l'échelle de la wafer, ainsi que de leurs hétérostructures. Ils ont conçu un transistor ferroélectrique à haute vitesse, fonctionnant à une tension extrêmement faible (0,8 V) et présentant une durabilité exceptionnelle (plus de 1,5 × 10¹² cycles), dont les performances globales dépassent largement les systèmes ferroélectriques à base d'oxyde d'铪 industriels actuels. Il s'agit du transistor ferroélectrique connu à ce jour présentant la tension d'exploitation la plus basse, la consommation d'énergie la plus faible et la meilleure durabilité. Cette étude marque la première démonstration au monde d'un système de matériaux ferroélectriques bidimensionnels à l'échelle de la wafer à hautes performances, offrant une base matérielle révolutionnaire et une voie technologique réalisable pour le développement de puces avancées à haute efficacité énergétique.

Les percées en matière de matériaux et de dispositifs doivent finalement être intégrées dans un système de fabrication standardisé.

Le 9 juillet 2026, la ligne de production pilote de 8 pouces pour les semi-conducteurs bidimensionnels, construite par Yuan Jiwei Technology, a été entièrement opérationnelle à Pudong, marquant une étape décisive dans la transition des semi-conducteurs bidimensionnels de la recherche scientifique vers l'industrialisation en Chine. La ligne a été mise en service en janvier 2026 et n'a nécessité que six mois pour finaliser le réglage de tous les équipements et l'optimisation des procédés. Contrairement aux plateformes de prototype à petite échelle en laboratoire, elle dispose désormais d'une capacité complète de fabrication et de prototypage industriel, établissant une chaîne d'ingénierie complète allant de la préparation des matériaux à l'intégration des puces. Auparavant, la recherche sur les semi-conducteurs bidimensionnels en Chine se concentrait principalement dans les laboratoires universitaires, avec une fabrication de dispositifs effectuée en petites séries et de manière artisanale, éloignée des normes industrielles. L'équipe de Yuan Jiwei a consacré dix ans à surmonter ces défis, en mettant au point l'ensemble du processus : croissance des wafers, procédés d'intégration, modélisation des dispositifs, conception de circuits et tests d'emballage.

Le jeu d’outils de conception de processus (PDK) associé a été simultanément mis en œuvre, éliminant davantage les barrières entre la conception et la fabrication. La version 0.1 du PDK de 500 nm, basée sur la ligne pilote de 8 pouces publiée par Yuanji, constitue le premier IP de processus dans le domaine des semi-conducteurs bidimensionnels compatible avec les chaînes d’outils EDA dominantes, incluant un ensemble complet d’outils tels que Pcell, DRC, LVS et PEX. Le taux de rendement du processus dépasse 99,99 %, et tous les indicateurs ont dépassé les records internationaux, approchant presque les niveaux de fabrication équivalents sur silicium. À l’avenir, il pourra soutenir la conception de circuits bidimensionnels à l’échelle de 100 000 transistors et leur fabrication sur wafer.

Avec la mise en service de la ligne de production et la publication du PDK, les services de fabrication sous contrat et l'écosystème industriel sont simultanément lancés. Des équipes universitaires de l'Université de Pékin, de l'Université Tsinghua, de l'Université Jiaotong de Shanghai, de l'Université du Nanjing et d'autres institutions ont signé des accords de recherche et développement avec Yuanjiwei, ouvrant officiellement les services de fabrication de wafers à la recherche scientifique ; des entreprises telles que le Institut précurseur de Xi'an et Shanghai Erwei Xing Technology ont également établi des partenariats stratégiques dans la chaîne de valeur, afin de développer une collaboration approfondie autour du partage de plateformes technologiques, de la transformation des résultats et de la construction conjointe d'un écosystème. Les infrastructures industrielles locales suivent également ce rythme : le quartier de Chuansha à Shanghai utilise la ligne pilote de Yuanjiwei comme vecteur central pour attirer les entreprises des maillons upstream et downstream de la chaîne ; au niveau de la ville de Shanghai, les semi-conducteurs bidimensionnels ont été intégrés parmi les secteurs clés à développer pour l'avenir, avec un effort global couvrant la recherche fondamentale, l'innovation collaborative et le développement d'un écosystème, dans le but de créer un cycle industriel complet allant de la R&D à la pilote puis à la production en série. Il convient de noter que la ligne de production pour semi-conducteurs bidimensionnels peut réutiliser environ 70 % des équipements existants pour semi-conducteurs à base de silicium, sans bouleverser le système industriel actuel, mais en stimulant au contraire de nouvelles opportunités de marché dans les domaines des matériaux, des équipements, de la fabrication et du conditionnement avancé.

Avec la maturité des systèmes de fabrication, les semi-conducteurs bidimensionnels s'étendent également vers des applications telles que le stockage.

Dans le domaine du calcul logique, la Chine a accompli la transition des composants aux processeurs complexes. En 2025, le premier processeur micro-32 bits RISC-V au monde basé sur des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels, nommé « Wuji », a été lancé. Il utilise du disulfure de molybdène (MoS₂), intègre 5 900 transistors, mesure seulement 0,7 nanomètre d'épaisseur, et atteint un taux de rendement de 99,77 % pour les inverseurs à un seul niveau. Ce processeur réalise une autonomie complète de la chaîne de conception, de la matière au dépôt, et valide la faisabilité de la construction de circuits logiques complexes à partir de matériaux bidimensionnels. À une fréquence d'horloge de 1 kHz, il peut exécuter en série 37 instructions RISC-V 32 bits, répondant aux exigences de l'ensemble d'instructions entières RV32I. Il présente une forte amplification à un seul niveau et une très faible fuite à l'état bloqué, ce qui le rend adapté à des scénarios tels que l'Internet des objets et le calcul en périphérie.

En 2026, l'équipe de Wang Xinran et Qiu Hao de l'Université de Nankin, en collaboration avec le Laboratoire national de Suzhou et Huawei, a pleinement intégré le processus complet de conception, de procédé et de fabrication de circuits semi-conducteurs bidimensionnels compatibles avec les lignes de production Fab, réussissant à développer le premier microprocesseur parallèle multi-bit au monde à base de disulfure de molybdène (MoS2), nommé « Mengqi (MAGIC)-1000 ». La densité d'intégration des transistors établit un nouveau record mondial pour les circuits numériques non-silicium émergents, marquant ainsi l'entrée de la recherche chinoise sur les semi-conducteurs bidimensionnels dans une nouvelle phase de fusion avec les lignes de production. Grâce à une optimisation coopérative multi-niveaux, l'équipe a intégré 1 433 transistors MoS2 dans une surface de puce ultra-compacte sous un procédé industriel de 0,5 μm, réalisant ainsi le microprocesseur « Mengqi-1000 ». Ce circuit intègre un jeu d'instructions RISC et se compose de quatre modules principaux : un décodeur d'instructions, une banque de registres, une unité arithmétique et logique, et des multiplexeurs. La densité d'intégration des transistors est améliorée d'un ordre de grandeur par rapport au précédent record international, atteignant 9 336 transistors/mm², ce qui la place au niveau des technologies silicium matures au même nœud. Cette puce réalise pour la première fois un calcul parallèle multi-bit sur semi-conducteur bidimensionnel, avec une fréquence de fonctionnement maximale pouvant atteindre 43 kHz, et intègre une banque de registres sur puce, éliminant ainsi les retards d'accès et les goulets d'étranglement en bande passante causés par la mémoire externe.

Dans le domaine du stockage, les propriétés de fuite extrêmement faible des semi-conducteurs bidimensionnels présentent une valeur stratégique unique. Une équipe conjointe de l'Université Fudan a développé le transistor à semi-conducteur bidimensionnel présentant jusqu'à présent le courant de fuite le plus bas jamais enregistré. L'équipe a réalisé un courant de fuite record — équivalent à un électron qui fuirait uniquement toutes les 9,15 secondes. Sur cette base, la nouvelle puce de mémoire DRAM ainsi conçue atteint une durée de conservation des données dépassant 8 500 secondes sans tension de maintien, tout en combinant des vitesses de lecture/écriture élevées et une capacité de stockage multi-niveaux. La DRAM à deux transistors sans condensateur (2T0C) optimisée permet une opération de stockage quasi non volatile, une précision de stockage de 5 bits et une vitesse d'écriture à l'échelle des nanosecondes. Yuan Jiwéi a déjà placé la DRAM parmi ses priorités stratégiques. Les propriétés de fuite extrêmement faible des semi-conducteurs bidimensionnels permettent de réduire considérablement la consommation d'énergie lors du rafraîchissement, offrant un potentiel de déploiement initial dans les scénarios côté terminal et à forte puissance de calcul, avec une capacité DRAM future susceptible d'être augmentée progressivement grâce à des technologies de empilement tridimensionnel. En juillet 2026, l'équipe de Zhou Peng et Liu Chunsen de l'Université Fudan est allée plus loin en observant pour la première fois, à température ambiante, le comportement de stockage non volatile d'un seul électron, réussissant à créer un dispositif doté de la plus grande fenêtre de stockage quantique non volatile au monde — une simple injection d'un seul électron suffit pour atteindre une fenêtre de stockage de 0,5 volt. Cela marque le sommet absolu de la technologie de stockage d'informations par charge, atteignant le niveau ultime de « un électron, un bit ».

En plus du calcul et du stockage, les semi-conducteurs bidimensionnels offrent des avantages irremplaçables dans de nombreux scénarios spécifiques. En tant que matériau SOI extrême, les semi-conducteurs bidimensionnels présentent des avantages uniques dans des applications telles que les circuits analogiques à haute fréquence, les communications résistantes aux radiations et les interfaces cerveau-machine. En janvier de cette année, grâce à la plateforme satellite « Fudan-1 », un système de communication radiofréquence résistant aux radiations basé sur des semi-conducteurs bidimensionnels a été validé pour la première fois en orbite spatiale. Par ailleurs, les semi-conducteurs bidimensionnels peuvent être fabriqués sous forme de dispositifs flexibles et transparents, ce qui permet de soutenir le développement de composants pour des domaines de pointe tels que la détection optoélectronique et l’informatique quantique.

Actuellement, les semi-conducteurs bidimensionnels ont définitivement quitté le laboratoire pour entrer dans une nouvelle phase de validation technique et de production en petites séries. Des avancées au niveau de la fabrication de substrats jusqu’à l’intégration industrielle des lignes de production, en passant par l’application concrète dans divers domaines tels que le calcul et le stockage, chaque maillon de la chaîne d’approvisionnement nationale des semi-conducteurs bidimensionnels accélère son développement, formant ainsi une chaîne complète couvrant les matériaux, les équipements, la fabrication, la conception et les applications.

Sur ce nouveau segment des semi-conducteurs bidimensionnels, la concurrence internationale est déjà entièrement engagée. La formation de cette nouvelle chaîne de valeur offre non seulement de nouvelles possibilités pour les technologies de puces à l'ère post-Moore, mais ouvre également une toute nouvelle dimension de concurrence dans la refonte du paysage mondial des semi-conducteurs.

Cet article provient du compte officiel WeChat « Semiconductor Industry纵横 » (ID : ICViews), auteur : Pengcheng