中国の2D半導体産業チェーンが急速に形成されつつある

二次元半導体、すなわち原子層半導体は、コア機能層の厚さが単一原子層または少数の原子層に過ぎない半導体材料であり、遷移金属硫化物（例：モリブデン二硫化物）が代表的です。これはモーレー時代以降の鍵となる材料の一つです。シリコンベースのチップ製造プロセスが物理的限界に近づくにつれ、従来のシリコンチャネル半導体材料はその性能の上限に達しています。二次元半導体（モリブデン二硫化物、タングステン二セレン化物、インジウムセレン化物など）は、原子レベルの厚さという天然の利点を活かし、ウェハー級の原子平滑構造で短チャネルスケールにおいて天然の強力なゲート制御能力を実現できるため、モーレー時代以降で最も有望な非シリコン新素材と見なされています。

現在、世界中で産業間のコンセンサスが加速して形成されています。TSMC、インテル、サムスンなどの国際的なウェハ製造大手や、IMEC、IRDSなどのトップ研究機関は、すべて2次元半導体分野に明確な戦略を展開しており、1nmノード以降、この技術が異種集積システムのコアコンポーネントとして採用されると見込んでいます。2026年6月、TSMCはASMLおよびimecと協力し、VLSIシンポジウムで300mmウェハ上に50nm接触ゲートピッチの2次元n/pFETを統合した技術を初公開しました。これは、国際大手が2次元トランジスタを実験室から生産ラインへと加速して移行していることを示す重要なマイルストーンです。このような状況下で、国内の産業チェーンも材料製造から装置の自社開発、チップ統合、エコシステム構築に至るまで全工程で突破を遂げており、2次元半導体の産業チェーンが着実に形成されつつあります。

二次元半導体は、シリコン時代後のチップ製造における鍵となる材料と見なされているが、二次元半導体材料の規模化および高品質ウェハーの製造が、産業応用への道を開く前提である。その中で、化学気相成長（CVD）および金属有機化学気相成長（MOCVD）は、二次元半導体材料の規模化製造を実現するための将来の鍵技術である。

装置と材料成長分野において、南京大学の王欣然教授チームは産業転換プラットフォームである極鈮芯科技と協力し、「学術革新—装置開発—プロセス検証」の密接なサイクルを構築し、ウェハレベルの二次元半導体単結晶製造分野で一連の進展を達成した。2025年10月、チームは極鈮芯科技が自社開発したOxy-MOCVD 200 ultra装置（核心部品100％中国製）を基盤とし、革新的な基板技術を用いて、世界で初めて6インチの二次元遷移金属硫化物半導体単結晶の量産製造に成功し、MoS₂、WS₂、WSe₂など複数の材料と互換性を持ち、150mmウェハにおける単一ドメイン整列率が99％を超えた。2026年1月、チームは東南大学の王金蘭チームと協力し、新たな酸素補助金属有機化学気相沈着（oxy-MOCVD）技術を開発し、成長動力学制御のボトルネックを突破。二硫化モリブデンのドメイン平均サイズを百ナノメートル級から数百マイクロメートル級まで向上させ、大面積均一成長の量産課題を解決するとともに、炭素汚染の根本的抑制を実現した。このプロセスに基づき、極鈮芯は装置を深くカスタマイズ・アップグレードし、下流企業にプラグアンドプレイのプロセス能力を提供可能となった。現在、この技術体系は二硫化モリブデン、二セレン化モリブデン、二硫化タングステン、二セレン化タングステンなど主要な二次元半導体材料をカバーしている。さらに、極鈮芯は世界で初めて8インチの二次元半導体単結晶の量産を実現し、製品はケンブリッジ大学や復旦大学などのトップ研究機関に導入され、下流のチップ製造企業と提携を結び、実験室レベルのサンプルから生産ライン向け材料への鍵となる一歩を確実に踏み出した。

主流なn型材料に加え、p型二次元半導体のウェハレベル製造の課題も解消された。シリコン基盤電子デバイスと同様に、ウェハレベルのn型およびp型二次元半導体単結晶は、二次元CMOS集積回路を構築するための基礎かつ前提条件である。これまでに研究者たちは複数のn型二次元半導体材料を開発し、MoS₂やWS₂などはすでにウェハレベルの単結晶製造を実現している。しかし、高移動度かつ優れた安定性を兼ね備えたp型二次元半導体は依然として極めて希少であり、そのウェハレベル単結晶成長はさらに困難である。2026年7月、中国科学院金属研究所のチームは画期的な成果を達成し、大面積・高性能なp型MoSi₂N₄単層単結晶ウェハの製造に成功した。この材料系は同チームが世界で初めて開発したもので、それまで多結晶薄膜しか製造できず、結晶粒界の隙間がデバイス性能を大幅に低下させ、転送・加工時に破損しやすかった。今回の研究では、特殊な単結晶基板の段差誘導効果を活用し、材料の定向成長とシームレスな接合を実現し、二次元CMOS回路が長年欠いていた高品質なp型材料の核心的課題を完全に解消した。

特色材料分野において、北京大学の彭海琳教授研究チームは、ウェハスケールで超薄型・均一な強誘電薄膜およびその異質構造の制御された合成を世界で初めて実現し、動作電圧が極めて低く（0.8V）、耐久性が極めて高い（1.5×10¹²回以上繰り返し可能）高速強誘電トランジスタを構築した。このトランジスタの総合性能は、現在の工業用ハフニウム基強誘電体系を大幅に上回り、これまでに知られている中で動作電圧が最小、消費電力が最低、耐久性が最優れた強誘電トランジスタである。また、高性能なウェハスケール二次元強誘電材料体系を国際的に初めて提示し、高効率次世代チップの開発に革新的な材料基盤と実現可能な技術的道筋を提供した。

材料とデバイスの突破は、最終的に標準化された製造システムに実装される必要がある。

2026年7月9日、元集微科技が建設した8インチ二次元半導体のエンジニアリング実証ラインが浦東で全面稼働し、国内で二次元半導体が研究から産業化へと進む上で画期的なマイルストーンとなった。このラインは2026年1月に点灯を完了し、わずか半年余りで全工程の装置調整とプロセス最適化を達成した。実験室規模の小規模試作プラットフォームとは異なり、現在はフルプロセスのウェハープロセスとエンジニアリング試作能力を備え、材料調製からチップ集積までの完全なエンジニアリングチェーンを構築した。これ以前、国内の二次元半導体研究は主に大学の実験室に集中し、デバイス製造は小ロット手作業試作が中心で、工業標準との差が大きかった。元集微チームは10年にわたる研究開発を経て、ウェハ成長、集積プロセス、デバイスモデリング、回路設計、パッケージング・テストに至るまでの完全な製造プロセスを確立した。

対応するプロセス設計キット（PDK）が同時にリリースされ、設計と製造の接続障壁がさらに解消されました。集微が発表した8インチ試作ラインに基づく500ナノメートルPDK 0.1版は、2次元半導体分野で最初の主要EDAツールチェーンと互換性を持つプロセスIPであり、Pcell、DRC、LVS、PEXを含む一式のツールキットを備えています。このプロセスの良率は99.99％を超え、あらゆる指標で国際記録を更新し、シリコンベースの同等プロセス水準にほぼ近づいています。今後、10万素子級の2次元回路の設計とウェハレベル製造を支えることが可能です。

生産ラインの貫通とPDKのリリースに伴い、受託製造サービスと産業エコシステムが同時に開始されました。北京大学、清华大学、上海交通大学、南京大学などの大学チームは、元集微と既に大学・企業間の研究開発契約を締結し、ウェハ受託製造サービスが研究機関向けに正式に開放されました。西安先導院、上海二維星科技などの企業も産業チェーン戦略提携を締結し、プロセスプラットフォームの共有、成果の実用化、エコシステム構築をめぐって深度ある協力を進めています。地方の産業支援体制も同時に整備され、上海・川沙新鎮は元集微の試作ラインを核として、産業チェーンの上流・下流企業を誘致しています。上海市全体としては、二維半導体を将来産業の重点育成分野に位置づけ、研究開発、協同イノベーション、エコシステム育成のすべての面で力を注いでおり、「研究開発—試作—量産」の完全な産業閉ループを実現することを目指しています。注目すべきは、二維半導体生産ラインが既存のシリコンベース半導体装置を約70％再利用可能である点であり、既存の産業体系を颠覆するのではなく、材料、装置、製造、先進パッケージングなどの分野で新たな市場需要を創出します。

製造システムの成熟に伴い、二次元半導体は論理計算からストレージなどのアプリケーションへと拡張・延伸しています。

論理計算分野において、国内はデバイスから複雑なプロセッサへの飛躍を達成した。2025年、世界初の二次元半導体材料を用いた32ビットRISC-Vアーキテクチャマイクロプロセッサ「無極」が発表され、二硫化モリブデン（MoS₂）材料を採用し、5900個のトランジスタを統合、厚さはわずか0.7ナノメートルである。単段インバータの良品率は99.77％に達し、材料からアーキテクチャ、製造プロセスに至るまで完全な自社開発を実現し、二次元材料による複雑な論理回路構築の可能性を検証した。このプロセッサは1kHzのクロック周波数で37種類の32ビットRISC-V命令を直列実行でき、RV32I整数命令セット要件を満たす。単段高利得およびオフ状態超低リーク電流の特性を備え、IoTやエッジコンピューティングなどのシナリオに適している。

2026年、南京大学の王欣然・邱浩チームは蘇州国家実験室および華為と共同で、Fabラインと互換性のある二次元半導体チップの設計・プロセス・製造のフルプロセスを実現し、世界初の硫化モリブデン（MoS2）マルチビット並列マイクロプロセッサ「夢啓（MAGIC）-1000」を開発した。このチップは、新興の非シリコンデジタル回路におけるトランジスタ集積密度で最高記録を達成し、中国の二次元半導体研究が生産ラインとの融合という新たな発展段階に入ったことを示している。階層間協調最適化に基づき、チームは0.5μmの工業プロセスで超コンパクトなチップ面積内に1433個のMoS2トランジスタを統合し、「夢啓-1000」マイクロプロセッサを成功裏に開発した。このチップはRISC命令セットを採用し、命令デコーダ、レジスタファイル、算術論理ユニット、マルチプレクサの4つの主要モジュールで構成され、従来の国際記録と比較してトランジスタ集積密度が1桁向上し、9336個/mm²に達した。これは同ノードの成熟したシリコンベースプロセスと同等のレベルである。このチップは、二次元半導体におけるマルチビットデータ並列演算を世界で初めて実現し、最高動作周波数は43kHzに達し、二次元チップ上にオンチップレジスタファイルを統合することで、外部メモリによるアクセス遅延と帯域幅ボトルネックを解消した。

ストレージ分野において、二次元半導体の超低リーク特性は独自の戦略的価値を示している。復旦大学の共同研究チームは、これまでで最もリーク電流が低い二次元半導体トランジスタを開発した。同チームは、9.15秒に1電子しかリークしないという記録的な超低リーク電流を実現した。この技術を基に構築された新型DRAMメモリチップは、保持電圧ゼロの状態で8500秒を超える超長データ保持時間を実現し、高速読み書きと多容量ストレージ機能を両立している。最適化されたキャパシタ不要の2トランジスタDRAM（2T0C）は、準非揮発性記憶操作、5ビット記憶精度、ナノ秒級の書き込み速度を実現した。元集微はDRAMを重点的な事業領域として位置付けている。二次元半導体の超低リーク特性は、リフレッシュ消費電力を大幅に削減でき、エッジデバイスおよび大規模計算シナリオでまず実用化される見込みであり、今後、3次元積層技術と組み合わせることでDRAM容量を段階的に向上させることが期待されている。2026年7月、復旦大学の周鵬・劉春森チームはさらに進展し、室温環境で単一電子の非揮発性記憶動作を初めて明確に観測し、最大規模の非揮発量子記憶ウィンドウを有するデバイスを成功裏に開発した。このデバイスは、単一電子を注入するだけで0.5ボルトの記憶ウィンドウを実現する。これは、電荷情報記録技術が「1電子、1ビット」という最高到達点に達したことを示す画期的な成果である。

計算とストレージ以外にも、二次元半導体はさまざまな特異なシナリオで代替不可能な優位性を有しています。二次元半導体は極限のSOI材料として、無線周波数アナログ回路、放射線耐性通信、ブレイン・マシン・インターフェースなどの分野で独自の利点を発揮します。今年1月、「復旦一号」衛星プラットフォームを活用し、二次元半導体を用いた放射線耐性無線周波数通信システムが、宇宙での軌道上検証を初めて実現しました。また、二次元半導体は柔軟で透明なデバイスとして製造可能であり、光電センシングや量子計算などの先端分野におけるデバイス開発を支えています。

現在、二次元半導体は実験室段階を完全に超え、エンジニアリング検証および小ロット製造の新たな発展段階へと進んでいます。材料製造におけるウェハー級の突破から、製造ラインのエンジニアリング連携、さらに計算やストレージなど複数分野への応用実装に至るまで、国内の二次元半導体産業チェーンの各環節が加速しており、材料、装置、製造、設計、応用をカバーする一連の完整的な産業チェーンが初步的に形成されています。

二次元半導体という新興分野において、国際競争はすでに本格化している。この新興産業チェーンの形成は、モール後時代のチップ技術に新たな可能性をもたらすだけでなく、グローバル半導体産業の構図再編においても全新的な競争の次元を開いた。

本文は微信公众号「半導体産業纵横」（ID：ICViews）より、著者：鵬程