Rantai Industri Semikonduktor 2D Tiongkok Cepat Terbentuk

Semikonduktor dua dimensi, juga dikenal sebagai semikonduktor lapisan atom, adalah bahan semikonduktor dengan ketebalan lapisan fungsional inti hanya satu lapisan atom atau beberapa lapisan atom, yang diwakili oleh logam transisi kalkogenida (seperti molibdenum disulfida), dan merupakan salah satu bahan kunci di era pasca-Moore. Ketika proses chip berbasis silikon mendekati batas fisiknya, bahan semikonduktor saluran silikon tradisional telah mendekati batas performanya. Semikonduktor dua dimensi (seperti molibdenum disulfida, tungsten diselenide, indium selenide, dll.) memanfaatkan keunggulan alami ketebalan tingkat atom untuk mencapai kemampuan pengendalian gerbang yang kuat secara alami dalam skala saluran pendek dengan struktur atomik yang rata setara wafer, dianggap sebagai bahan non-silikon paling berpotensi di era pasca-Moore.

Saat ini, konsensus industri global sedang mempercepat pembentukannya. Raksasa manufaktur wafer internasional seperti TSMC, Intel, dan Samsung, serta lembaga penelitian terkemuka seperti IMEC dan IRDS, telah secara jelas menempatkan strategi mereka di jalur semikonduktor dua dimensi, memprediksi bahwa teknologi ini akan menjadi komponen inti dalam sistem heterogen integrasi setelah node 1nm. Pada Juni 2026, TSMC bekerja sama dengan ASML dan imec memperkenalkan pertama kalinya integrasi n/pFET dua dimensi dengan jarak kontak gate 50 nm pada wafer 300 mm di konferensi VLSI, menandai percepatan raksasa internasional dalam mendorong transistor dua dimensi dari laboratorium ke lini produksi. Dalam konteks ini, rantai pasokan domestik juga telah mempercepat penempatan menyeluruh di seluruh tahapan, mulai dari persiapan bahan, pengembangan peralatan mandiri, hingga integrasi chip dan pembangunan ekosistem, dengan sejumlah terobosan yang dicapai—rantai pasokan semikonduktor dua dimensi sedang terbentuk.

Semikonduktor dua dimensi dianggap sebagai bahan kunci dalam pembuatan chip pasca-silikon, tetapi persiapan wafer skala besar dan berkualitas tinggi dari bahan semikonduktor dua dimensi merupakan prasyarat untuk penerapan industri. Di antaranya, deposisi kimia uap (CVD) dan deposisi kimia uap logam organik (MOCVD) adalah teknologi kunci untuk mencapai produksi skala besar bahan semikonduktor dua dimensi di masa depan.

Di bidang peralatan dan pertumbuhan material, tim Profesor Wang Xiran dari Universitas Nanjing bekerja sama dengan platform transformasi industri mereka, Jiyue Xintech, menciptakan siklus tertutup yang terintegrasi mendalam antara “inovasi akademik—pengembangan peralatan—verifikasi proses”. Mereka mencapai sejumlah kemajuan dalam produksi kristal tunggal semikonduktor dua dimensi berbasis wafer. Pada Oktober 2025, tim tersebut, dengan menggunakan peralatan Oxy-MOCVD 200 ultra yang dikembangkan secara mandiri oleh Jiyue Xintech (komponen inti 100% buatan domestik), melalui teknik rekayasa substrat inovatif, menjadi yang pertama di dunia melaporkan produksi massal kristal tunggal semikonduktor logam transisi kalsogenida dua dimensi berukuran 6 inci, yang kompatibel dengan berbagai material seperti MoS₂, WS₂, dan WSe₂, dengan tingkat penyelarasan domain unidireksional melebihi 99% pada wafer berdiameter 150 mm. Pada Januari 2026, tim bekerja sama dengan tim Profesor Wang Jinlan dari Universitas Southeast, mengembangkan teknologi baru metal organik kimia uap deposisi yang dibantu oksigen (oxy-MOCVD), yang berhasil mengatasi hambatan dalam pengendalian dinamika pertumbuhan—tidak hanya meningkatkan ukuran rata-rata domain MoS₂ dari skala ratusan nanometer menjadi ratusan mikrometer, menyelesaikan tantangan produksi massal pertumbuhan seragam luas, tetapi juga secara mendasar menghambat masalah kontaminasi karbon. Berdasarkan proses ini, Jiyue Xintech telah melakukan peningkatan dan penyesuaian mendalam pada peralatan, sehingga mampu menyediakan kemampuan proses plug-and-play bagi pihak bawahannya. Saat ini, sistem teknologi mereka telah mencakup material semikonduktor dua dimensi utama seperti MoS₂, MoSe₂, WS₂, dan WSe₂. Lebih lanjut, Jiyue Xintech secara global menjadi yang pertama mencapai produksi massal kristal tunggal semikonduktor dua dimensi berukuran 8 inci; produknya kini telah masuk ke lembaga penelitian terkemuka seperti Universitas Cambridge dan Universitas Fudan, serta telah menjalin kerja sama dengan perusahaan manufaktur chip bawahannya, menyelesaikan langkah kunci dari sampel laboratorium ke material tingkat produksi.

Selain bahan n-tipe utama, kekurangan dalam produksi wafer-level semikonduktor dua dimensi p-tipe juga telah diatasi. Seperti perangkat elektronik berbasis silikon, kristal tunggal wafer-level n-tipe dan p-tipe semikonduktor dua dimensi merupakan dasar dan prasyarat untuk membangun sirkuit terpadu CMOS dua dimensi. Hingga kini, para peneliti telah mengembangkan berbagai bahan semikonduktor dua dimensi n-tipe, di mana MoS2, WS2, dan lainnya telah berhasil diproduksi dalam bentuk kristal tunggal wafer-level; namun, semikonduktor dua dimensi p-tipe yang memiliki mobilitas tinggi dan stabilitas unggul masih sangat langka, dan mencapai pertumbuhan kristal tunggal wafer-level untuk bahan semacam ini jauh lebih sulit. Pada Juli 2026, tim dari Institut Logam, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, mencapai terobosan dengan berhasil memproduksi wafer kristal tunggal lapisan tunggal p-tipe MoSi₂N₄ berukuran besar dan berkinerja tinggi. Sistem bahan ini merupakan inovasi pertama tim tersebut; sebelumnya, hanya film polikristalin yang dapat diproduksi, di mana celah batas butir secara signifikan menurunkan kinerja perangkat dan mudah rusak selama proses transfer; penelitian ini berhasil mencapai pertumbuhan terarah dan penyambungan tanpa sambungan melalui efek panduan tangga substrat kristal tunggal khusus, sehingga secara menyeluruh mengatasi kekurangan utama jangka panjang dalam sirkuit CMOS dua dimensi—yaitu kurangnya bahan p-tipe berkualitas tinggi.

Dalam arah bahan khusus, tim peneliti Profesor Peng Hailin dari Universitas Peking berhasil secara terkendali memproduksi film ferroelektrik ultra-tipis dan seragam serta struktur heterostruktur pada skala wafer untuk pertama kalinya, serta membangun transistor ferroelektrik berkecepatan tinggi dengan tegangan operasi sangat rendah (0,8 V) dan daya tahan sangat tinggi (lebih dari 1,5×10¹² siklus), kinerja komprehensifnya secara signifikan melampaui sistem ferroelektrik hafnium berbasis industri saat ini, menjadikannya transistor ferroelektrik dengan tegangan operasi terendah, konsumsi energi terendah, dan daya tahan terbaik yang pernah diketahui. Ini adalah pertama kalinya di tingkat internasional menunjukkan sistem material ferroelektrik dua dimensi berkinerja tinggi pada skala wafer, memberikan dasar material dan jalur teknis yang revolusioner untuk pengembangan chip canggih berdaya tinggi.

Terobosan dalam bahan dan perangkat pada akhirnya perlu diwujudkan dalam sistem manufaktur standar.

Pada 9 Juli 2026, jalur produksi demonstrasi teknologi 8 inci untuk semikonduktor dua dimensi yang dibangun oleh Yuanji Microelectronics secara resmi beroperasi penuh di Pudong, menjadi tonggak sejarah bagi semikonduktor dua dimensi di Tiongkok dari riset menuju industrialisasi. Jalur produksi ini berhasil dinyalakan pada Januari 2026, dan hanya membutuhkan waktu lebih dari enam bulan untuk menyelesaikan kalibrasi peralatan dan optimasi proses secara menyeluruh. Berbeda dengan platform uji coba skala laboratorium, jalur ini kini telah memiliki kemampuan lengkap untuk produksi wafer dan prototyping teknik, serta membangun rantai teknik lengkap mulai dari persiapan bahan hingga integrasi chip. Sebelumnya, penelitian semikonduktor dua dimensi di Tiongkok sebagian besar terfokus pada laboratorium universitas, dengan pembuatan perangkat yang masih mengandalkan prototyping manual dalam jumlah kecil, sehingga jauh dari standar industri. Tim Yuanji Microelectronics telah menghabiskan sepuluh tahun berjuang untuk mengintegrasikan seluruh proses produksi, mulai dari pertumbuhan wafer, teknologi integrasi, pemodelan perangkat, desain sirkuit hingga pengemasan dan pengujian.

Paket alat desain proses (PDK) yang terkait juga telah diluncurkan secara bersamaan, semakin menghilangkan hambatan antara desain dan produksi. Versi 0.1 PDK 500 nm berbasis jalur uji coba 8 inci yang dirilis oleh Yuan Jiwei adalah IP proses pertama di bidang semikonduktor dua dimensi yang kompatibel dengan rantai alat EDA utama, mencakup seluruh paket alat seperti Pcell, DRC, LVS, dan PEX, dengan tingkat hasil proses lebih dari 99,99%, mencapai prestasi yang melampaui rekor internasional di berbagai indikator, hampir setara dengan tingkat proses silikon yang setara, dan di masa depan dapat mendukung desain sirkuit dua dimensi hingga 100.000 transistor serta manufaktur berbasis wafer.

Dengan terhubungnya jalur produksi dan rilisnya PDK, layanan fabrikasi dan ekosistem industri secara bersamaan diluncurkan. Tim dari universitas-universitas seperti Peking University, Tsinghua University, Shanghai Jiao Tong University, dan Nanjing University telah menandatangani perjanjian riset kolaborasi dengan Yuanjiwei, sehingga layanan fabrikasi wafer secara resmi dibuka untuk sektor ilmiah; perusahaan-perusahaan seperti Xi'an Pioneer Institute dan Shanghai Erwei Star Technology juga telah mencapai kemitraan strategis rantai pasok, menjalankan kerja sama mendalam dalam berbagi platform proses, transformasi hasil penelitian, dan pembangunan ekosistem. Pendukung industri lokal juga secara bersamaan mengikuti perkembangan ini; Distrik Chuansha Baru di Shanghai menjadikan jalur uji coba Yuanjiwei sebagai platform utama untuk menarik集聚 perusahaan di hulu dan hilir rantai pasok; secara keseluruhan, Shanghai telah memasukkan semikonduktor dua dimensi ke dalam arah prioritas pengembangan industri masa depan, mendorong upaya menyeluruh mulai dari penelitian ilmiah, inovasi kolaboratif hingga pembangunan ekosistem, dengan tujuan membentuk siklus industri lengkap “riset—uji coba—produksi massal”. Perlu dicatat bahwa jalur produksi semikonduktor dua dimensi dapat memanfaatkan kembali sekitar 70% peralatan semikonduktor berbasis silikon yang sudah ada, sehingga tidak akan menggulingkan sistem industri yang sudah ada, melainkan akan menciptakan peningkatan pasar baru di berbagai tahap seperti material, peralatan, manufaktur, dan advanced packaging.

Seiring dengan kedewasaan sistem manufaktur, semikonduktor dua dimensi juga sedang berkembang dari komputasi logika ke aplikasi seperti penyimpanan.

Di bidang komputasi logika, domestik telah melampaui tahap dari perangkat ke prosesor kompleks. Pada tahun 2025, mikroprosesor 32-bit RISC-V pertama di dunia berbasis bahan semikonduktor dua dimensi, "Wuji", diluncurkan, menggunakan bahan molibdenum disulfida (MoS2), mengintegrasikan 5.900 transistor, dengan ketebalan hanya 0,7 nanometer, dan tingkat kelulusan inverter satu tingkat mencapai 99,77%. Prosesor ini mencapai pengembangan mandiri penuh dari bahan, arsitektur hingga proses fabrikasi, serta membuktikan kelayakan membangun sirkuit logika kompleks menggunakan bahan dua dimensi. Prosesor ini mampu menjalankan secara serial 37 instruksi RISC-V 32-bit pada frekuensi clock 1 kHz, memenuhi persyaratan set instruksi bulat RV32I. Dilengkapi dengan gain tinggi satu tingkat dan arus bocor sangat rendah saat mati, cocok untuk aplikasi seperti IoT dan edge computing.

Pada tahun 2026, tim Wang Xinan dan Qiu Hao dari Universitas Nanjing, bekerja sama dengan Laboratorium Nasional Suzhou dan Huawei, secara lebih lanjut mengintegrasikan seluruh proses desain-proses-manufaktur chip semikonduktor dua dimensi yang kompatibel dengan jalur Fab, dan berhasil mengembangkan mikroprosesor paralel multi-bit pertama di dunia berbasis molibdenum disulfida (MoS2), "Mengqi (MAGIC)-1000". Kepadatan integrasi transistor mencatat rekor tertinggi dalam sirkuit digital non-silikon baru, menandai masuknya penelitian semikonduktor dua dimensi Tiongkok ke tahap baru penggabungan dengan jalur produksi. Berdasarkan optimasi kolaboratif lintas tingkat, tim berhasil mengintegrasikan 1.433 transistor MoS2 dalam area chip yang sangat kompak pada proses industri 0,5μm, menghasilkan mikroprosesor "Mengqi-1000". Chip ini menggunakan set instruksi RISC, terdiri dari empat modul utama: decoder instruksi, register file, unit aritmetika-logika, dan multiplexer. Kepadatan integrasi transistor meningkat satu orde besar dibandingkan rekor internasional sebelumnya, mencapai 9.336 per mm², sebanding dengan proses silikon matang pada node yang sama. Chip ini pertama kali mewujudkan operasi paralel multi-bit pada semikonduktor dua dimensi, dengan frekuensi kerja maksimum hingga 43 kHz, serta mengintegrasikan register file on-chip untuk menghilangkan latensi akses dan hambatan bandwidth yang disebabkan oleh memori eksternal.

Di bidang penyimpanan, sifat arus bocor ultra-rendah dari semikonduktor dua dimensi menunjukkan nilai strategis yang unik. Tim kolaboratif dari Universitas Fudan telah mengembangkan transistor semikonduktor dua dimensi dengan arus bocor terendah yang pernah dicapai hingga saat ini. Tim ini mencapai arus bocor ultra-rendah yang belum pernah tercatat sebelumnya—setara dengan hanya satu elektron yang bocor setiap 9,15 detik. Berdasarkan pencapaian ini, chip DRAM baru yang dikembangkan mampu mempertahankan data selama lebih dari 8.500 detik tanpa tegangan penyimpanan, sekaligus menawarkan kecepatan baca-tulis tinggi dan kemampuan penyimpanan berkapasitas besar. DRAM dual-transistor tanpa kapasitor (2T0C) yang dioptimalkan mewujudkan operasi penyimpanan quasi-non-volatile, presisi penyimpanan 5-bit, dan kecepatan penulisan dalam hitungan nanodetik. Yuan Jimei telah menjadikan DRAM sebagai fokus utama strategi pengembangannya. Sifat arus bocor ultra-rendah dari semikonduktor dua dimensi dapat secara signifikan mengurangi konsumsi daya penyegaran, berpotensi diterapkan terlebih dahulu di skenario edge dan komputasi berdaya tinggi, serta di masa depan dapat meningkatkan kapasitas DRAM secara bertahap melalui teknologi stacking tiga dimensi. Pada Juli 2026, tim Zhou Peng-Liu Chunsen dari Universitas Fudan lebih lanjut berhasil mengamati secara jelas perilaku penyimpanan non-volatile elektron tunggal di suhu ruangan, berhasil menciptakan perangkat dengan jendela penyimpanan kuantum non-volatile terbesar di dunia—hanya dengan menyuntikkan satu elektron, jendela penyimpanan dapat mencapai 0,5 volt. Ini menandai puncak tertinggi teknologi penyimpanan informasi muatan: "satu elektron, satu bit".

Selain komputasi dan penyimpanan, semikonduktor dua dimensi memiliki keunggulan tak tergantikan dalam lebih banyak skenario khusus. Sebagai material SOI ekstrem, semikonduktor dua dimensi memiliki keunggulan unik dalam aplikasi seperti sirkuit analog frekuensi radio, komunikasi tahan radiasi, dan antarmuka otak-komputer. Pada Januari tahun ini, berkat platform satelit "Fudan-1", sistem komunikasi radio frekuensi tahan radiasi berbasis semikonduktor dua dimensi berhasil melakukan verifikasi di orbit luar angkasa untuk pertama kalinya. Selain itu, semikonduktor dua dimensi dapat diproduksi menjadi perangkat fleksibel dan transparan, yang mendukung pengembangan perangkat di bidang-bidang mutakhir seperti sensor optoelektronik dan komputasi kuantum.

Saat ini, semikonduktor dua dimensi telah sepenuhnya keluar dari laboratorium dan memasuki tahap pengembangan baru berupa verifikasi teknis dan produksi dalam jumlah kecil. Dari terobosan skala wafer dalam pembuatan bahan, hingga integrasi teknis jalur produksi, serta penerapan di berbagai bidang seperti komputasi dan penyimpanan, setiap tahap dalam rantai pasok semikonduktor dua dimensi di dalam negeri sedang dipercepat, dan secara awal telah terbentuk rantai pasok lengkap yang mencakup bahan, peralatan, produksi, desain, dan aplikasi.

Di lintasan baru semikonduktor dua dimensi, persaingan internasional telah sepenuhnya dimulai. Terbentuknya rantai industri baru ini tidak hanya membuka kemungkinan baru untuk teknologi chip di era pasca-Moore, tetapi juga menciptakan dimensi persaingan baru dalam pengaturan ulang industri semikonduktor global.

Artikel ini berasal dari akun WeChat "Semiconductor Industry纵横" (ID: ICViews), penulis: Pengcheng