Rantaian industri semikonduktor 2D China dengan cepat terbentuk

Semikonduktor dua dimensi, juga dikenal sebagai semikonduktor lapisan atom, adalah bahan semikonduktor dengan ketebalan lapisan fungsional utama hanya satu lapisan atom atau beberapa lapisan atom, dengan contoh utama ialah logam peralihan kalcogenida (seperti molibdenum disulfida), dan merupakan salah satu bahan kunci di era pasca-Moore. Apabila proses cip berbasis silikon mendekati had fizikalnya, bahan semikonduktor saluran silikon tradisional telah mendekati batas prestasinya. Semikonduktor dua dimensi (seperti molibdenum disulfida, tungsten diselenida, dan indium selenida) memanfaatkan kelebihan semula jadi ketebalan aras atom untuk mencapai keupayaan pengawalan gerbang yang kuat secara semula jadi pada skala saluran pendek dengan struktur licin atom pada skala wafer, dianggap sebagai bahan bukan silikon paling berpotensi di era pasca-Moore.

Sekarang, konsensus industri secara global sedang mempercepat pembentukannya. Pengilang wafer antarabangsa seperti TSMC, Intel, dan Samsung, serta institusi penyelidikan terkemuka seperti IMEC dan IRDS, telah menetapkan strategi jelas dalam lintasan semikonduktor dua dimensi, memperkirakan ia akan menjadi komponen utama dalam sistem integrasi heterogen selepas nod 1nm. Pada Jun 2026, TSMC bekerjasama dengan ASML dan imec memperkenalkan pertama kali integrasi n/pFET dua dimensi dengan jarak kontak gerbang 50 nm di atas wafer 300 mm di perhimpunan VLSI, menandakan bahawa pemain antarabangsa sedang mempercepatkan peralihan transistor dua dimensi dari makmal ke lini pengeluaran. Dalam keadaan ini, rantai pasokan tempatan juga telah mempercepatkan pelaksanaan menyeluruh, mencapai kemajuan dalam penyediaan bahan, pengembangan peralatan sendiri, integrasi cip, dan pembinaan ekosistem, dengan rantai pasokan semikonduktor dua dimensi sedang terbentuk.

Semikonduktor dua dimensi dianggap sebagai bahan kunci dalam pembuatan cip pasca-silikon, tetapi persediaan wafer berkualiti tinggi dan berskala besar bagi bahan semikonduktor dua dimensi adalah prasyarat untuk aplikasi industri. Di antaranya, pengendapan kimia uap (CVD) dan pengendapan kimia uap logam organik (MOCVD) adalah teknologi kunci untuk pencapaian pembuatan berskala besar bahan semikonduktor dua dimensi di masa depan.

Dalam bidang pertumbuhan peralatan dan bahan, pasukan Profesor Wang Xiran dari Universiti Nanjing, bekerjasama dengan platform transformasi industri mereka, Jiyue Xintech, telah membentuk satu lingkaran tertutup yang mendalam antara “inovasi akademik—pembangunan peralatan—pengesahan proses”, dan mencapai serangkaian kemajuan dalam penyediaan tunggal kristal semikonduktor dua dimensi berskala wafer. Pada Oktober 2025, pasukan tersebut, dengan menggunakan peralatan Oxy-MOCVD 200 ultra yang dikembangkan secara bebas oleh Jiyue Xintech (komponen utama 100% buatan tempatan), melalui teknik rekabentuk substrat yang inovatif, menjadi yang pertama di dunia melaporkan penghasilan berskala komersial untuk tunggal kristal semikonduktor logam peralihan sulfida dua dimensi berukuran 6 inci, yang kompatibel dengan pelbagai bahan seperti MoS₂, WS₂, dan WSe₂, dengan kadar penyelarasan domain unidirectional melebihi 99% pada wafer 150 mm. Pada Januari 2026, pasukan tersebut bekerjasama dengan pasukan Profesor Wang Jinlan dari Universiti Southeast, mengembangkan teknologi deposisi kimia wap logam organik bantu oksigen (oxy-MOCVD) yang baru, yang menerobos batasan pengawalan dinamik pertumbuhan—meningkatkan saiz purata domain MoS₂ dari tahap ratusan nanometer kepada ratusan mikrometer, menyelesaikan cabaran penghasilan seragam berskala besar, serta menghalang masalah pencemaran karbon pada sumbernya. Berdasarkan proses ini, Jiyue Xintech telah menaik taraf peralatan secara mendalam, menyediakan kemampuan proses plug-and-play kepada pihak bawah stream, dan kini sistem teknologi mereka merangkumi bahan semikonduktor dua dimensi utama seperti MoS₂, MoSe₂, WS₂, dan WSe₂. Di atas asas ini, Jiyue Xintech kemudiannya menjadi yang pertama di dunia mencapai penghasilan berskala komersial untuk tunggal kristal semikonduktor dua dimensi 8 inci; produknya kini telah diterima oleh institusi penyelidikan terkemuka seperti Universiti Cambridge dan Universiti Fudan, serta telah mengadakan kerjasama dengan syarikat pembuatan cip bawah stream, membuka jalan penting dari sampel makmal ke bahan berskala lini pengeluaran.

Selain bahan n-jenis utama, kekurangan dalam penghasilan wafer bahan semikonduktor dua dimensi p-jenis juga telah dipenuhi. Seperti peranti elektronik berbasis silikon, kristal wafer n-jenis dan p-jenis semikonduktor dua dimensi merupakan asas dan prasyarat untuk membina litar terpadu CMOS dua dimensi. Sejauh ini, para penyelidik telah mengembangkan pelbagai bahan semikonduktor dua dimensi n-jenis, di mana MoS2, WS2 dan sebagainya telah berjaya dihasilkan dalam bentuk kristal wafer; namun, bahan semikonduktor dua dimensi p-jenis yang memiliki mobiliti tinggi dan kestabilan cemerlang masih sangat jarang, dan pencapaian pertumbuhan kristal wafer bahan tersebut pula lebih sukar. Pada Julai 2026, pasukan Institut Logam, Akademi Sains China mencapai lompatan bersejarah dengan berjaya menghasilkan wafer kristal tunggal lapisan p-jenis MoSi₂N₄ yang luas dan berprestasi tinggi. Sistem bahan ini merupakan ciptaan pertama pasukan ini; sebelum ini, hanya filem polikristalin yang boleh dihasilkan, di mana sela sempadan kristal secara ketara mengurangkan prestasi peranti dan mudah rosak semasa pemindahan dan pemprosesan. Dalam kajian ini, melalui kesan panduan tangga substrat kristal tunggal khas, pertumbuhan bahan yang terarah dan sambungan tanpa sela telah dicapai, dengan berkesan memenuhi kekurangan utama jangka panjang dalam litar CMOS dua dimensi—kekurangan bahan p-jenis berkualiti tinggi.

Dalam arah bahan ciri, kumpulan penyelidikan Profesor Peng Hailin dari Universiti Peking berjaya menghasilkan secara terkawal film feroelektrik ultra-tipis dan seragam serta struktur heterojunction pada skala wafer, serta membina transistor feroelektrik berkelajuan tinggi dengan voltan operasi sangat rendah (0.8V) dan ketahanan sangat tinggi (lebih daripada 1.5×10¹² kitaran), dengan prestasi keseluruhan yang jauh melebihi sistem feroelektrik hafnium berdasarkan perindustrian semasa, menjadikannya transistor feroelektrik dengan voltan operasi terendah, penggunaan tenaga paling rendah, dan ketahanan terbaik yang pernah dikenali. Ia pertama kali menunjukkan sistem bahan feroelektrik dua dimensi berprestasi tinggi pada skala wafer di peringkat antarabangsa, memberikan asas bahan dan lintasan teknikal yang revolusioner untuk pembangunan cip canggih berkecekapan tenaga tinggi.

Terobosan dalam bahan dan peranti akhirnya perlu dilaksanakan dalam sistem pembuatan berstandard.

Pada 9 Julai 2026, lini proses demonstrasi kejuruteraan semikonduktor dua dimensi 8 inci yang dibina oleh Yuanji Microelectronics secara penuh beroperasi di Pudong, menjadi tonggak sejarah dalam peralihan semikonduktor dua dimensi dari penyelidikan ilmiah kepada komersialisasi di dalam negara. Lini proses ini dinyalakan pada Januari 2026, dan hanya memakan masa lebih daripada enam bulan untuk menyesuaikan peralatan dan mengoptimumkan proses secara penuh. Berbeza dengan platform percubaan kecil di makmal, lini ini kini memiliki kemampuan lengkap untuk menghasilkan wafer dan percubaan kejuruteraan, serta membina rantai kejuruteraan lengkap dari penyediaan bahan hingga integrasi cip. Sebelum ini, penyelidikan semikonduktor dua dimensi di dalam negara kebanyakannya terfokus di makmal universiti, dengan pembuatan peranti yang berdasarkan percubaan tangan dalam jumlah kecil, dan terdapat jurang besar berbanding piawaian industri; pasukan Yuanji Microelectronics telah berusaha selama sepuluh tahun untuk menghubungkan keseluruhan proses, termasuk pertumbuhan wafer, proses integrasi, pemodelan peranti, reka bentuk litar, hingga pengemasan dan ujian.

Paket alat reka bentuk proses (PDK) yang sepadan telah dilancarkan serentak, yang semakin menghapuskan halangan antara reka bentuk dan pembuatan. PDK versi 0.1 berdasarkan jalur uji 8 inci sepanjang 500 nanometer yang dikeluarkan oleh Yuanji adalah IP proses pertama dalam bidang semikonduktor dua dimensi yang kompatibel dengan rantai alat EDA utama, yang merangkumi seluruh paket alat termasuk Pcell, DRC, LVS, PEX, dengan kadar keberhasilan proses melebihi 99.99%, mencapai prestasi yang melampaui rekod antarabangsa, hampir setara dengan tahap proses berbasis silikon, dan pada masa depan boleh menyokong reka bentuk sirkuit dua dimensi berskala 100,000 komponen serta pembuatan wafer.

Dengan selesainya lini produksi dan pelancaran PDK, perkhidmatan kontrak dan ekosistem industri telah dilancarkan secara serentak. Pasukan dari universiti-universiti seperti Universiti Peking, Universiti Tsinghua, Universiti Jiaotong Shanghai, dan Universiti Nanjing telah menandatangani perjanjian penyelidikan dan pembangunan bersama Yuanjiwei, membuka perkhidmatan penggantungan wafer secara rasmi kepada sektor saintifik; syarikat-syarikat seperti Institut Pioneering Xi'an dan Shanghai Erwei Star Technology juga telah mencapai perjanjian strategik rantai pasokan, bekerjasama secara mendalam dalam perkongsian platform proses, transformasi hasil, dan pembinaan ekosistem. Peralatan industri tempatan juga sedang diikuti secara serentak—Bandar Xinchuan Sha di Shanghai menjadikan lini perantara Yuanjiwei sebagai pusat utama untuk menarik pengumpulan syarikat-syarikat di sepanjang rantai pasokan; secara keseluruhan di Shanghai, semikonduktor dua dimensi telah dimasukkan sebagai arah utama pembangunan industri masa depan, dengan usaha menyeluruh dari penyelidikan saintifik, inovasi kolaboratif hingga pembinaan ekosistem, bertujuan membentuk lingkaran industri lengkap “penyelidikan—perantara—pengeluaran berskala besar”. Perlu diperhatikan bahawa lini semikonduktor dua dimensi boleh menggunakan semula sekitar 70% peralatan semikonduktor berbasis silikon yang sedia ada, tidak akan menggugat sistem industri sedia ada, malah akan mencipta pertambahan pasaran baharu di sepanjang peringkat bahan, peralatan, pembuatan, dan pengepakan canggih.

Seiring dengan kematangan sistem pembuatan, semikonduktor dua dimensi juga sedang meluas ke aplikasi seperti penyimpanan.

Dalam bidang pengiraan logik, domestik telah melangkah dari peranti kepada pemproses kompleks. Pada tahun 2025, pemproses mikro 32-bit berasaskan bahan semikonduktor dua dimensi pertama di dunia, "Wuji", dilancarkan, menggunakan bahan molibdenum disulfide (MoS2), mengintegrasikan 5,900 transistor, dengan ketebalan hanya 0.7 nanometer, dan kadar keberhasilan inverter satu peringkat mencapai 99.77%. Ia mencapai pengembangan sepenuhnya secara domestik dari bahan, arsitektur hingga proses pelarutan, serta membuktikan kebolehjadian membina litar logik kompleks menggunakan bahan dua dimensi. Pemproses ini mampu melaksanakan 37 arahan RISC-V 32-bit secara berurutan pada frekuensi jam 1 kHz, memenuhi keperluan set arahan integer RV32I. Ia memiliki prestasi keuntungan tinggi satu peringkat dan arus bocor sangat rendah dalam keadaan mati, sesuai untuk aplikasi seperti Internet of Things dan pengiraan tepi.

Pada tahun 2026, pasukan Wang Xinan dan Qiu Hao dari Universiti Nanjing, bekerjasama dengan Laboratorium Negara Suzhou dan Huawei, telah mengintegrasikan keseluruhan proses reka bentuk-proses-pembuatan cip semikonduktor dua dimensi yang selaras dengan lini Fab, berjaya menghasilkan mikropemproses paralel banyak bit pertama di dunia berbahan molibdenum disulfida (MoS2), "MengQi (MAGIC)-1000", yang mencatat kepadatan integrasi transistor tertinggi dalam sirkuit digital bukan silikon yang baru muncul, menandakan bahawa penyelidikan semikonduktor dua dimensi di China telah memasuki peringkat baru integrasi dengan lini pengeluaran. Berdasarkan pengoptimuman kolaboratif antaraperingkat, pasukan berjaya mengintegrasikan 1433 transistor MoS2 dalam kawasan cip yang sangat kompak pada proses industri 0.5μm, menghasilkan mikropemproses "MengQi-1000". Cip ini menggunakan set arahan RISC, terdiri daripada empat modul utama: dekoder arahan, bank pendaftar, unit logik aritmetik, dan pemilih banyak laluan. Kepadatan integrasi transistor meningkat sebanyak satu peringkat berbanding rekod antarabangsa sebelumnya, mencapai 9336/mm², setara dengan proses silikon matang pada nod yang sama. Cip ini berjaya mencapai pengiraan data paralel banyak bit pertama pada semikonduktor dua dimensi, dengan frekuensi operasi maksimum sehingga 43 kHz, serta mengintegrasikan bank pendaftar di atas cip, menghapuskan latensi akses dan bottleneck bandwidth yang disebabkan oleh penyimpanan luar cip.

Dalam bidang penyimpanan, ciri kebocoran arus sangat rendah pada semikonduktor dua dimensi menunjukkan nilai strategik yang unik. Pasukan bersama dari Universiti Fudan telah membangunkan transistor semikonduktor dua dimensi dengan arus bocor paling rendah sehingga kini. Pasukan ini mencapai arus bocor super rendah yang belum pernah tercatat—setara dengan hanya satu elektron bocor setiap 9.15 saat. Berdasarkan pencapaian ini, cip penyimpanan DRAM jenis baharu mencapai masa penyimpanan data yang sangat panjang melebihi 8500 saat tanpa voltan penyelenggaraan, sambil mengekalkan kecekapan baca-tulis pantas dan kapasiti penyimpanan pelbagai. DRAM dua transistor tanpa kapasitor (2T0C) yang dioptimumkan mewujudkan operasi penyimpanan quasi-non-volatile, ketepatan penyimpanan 5 bit, dan kelajuan penulisan dalam peringkat nanosekon. Yuan Jiwēi telah menjadikan DRAM sebagai arah utama pelaburan. Ciri kebocoran arus sangat rendah pada semikonduktor dua dimensi boleh mengurangkan kuasa penyegaran secara besar-besaran, dan berpotensi diterapkan terlebih dahulu dalam skenario sisi peranti dan komputasi berkuasa tinggi, serta pada masa depan meningkatkan kapasiti DRAM secara berperingkat melalui teknologi tindih tiga dimensi. Pada Julai 2026, pasukan Zhou Peng-Liu Chunsen dari Universiti Fudan seterusnya berjaya mengamati secara jelas perilaku penyimpanan non-volatile elektron tunggal pada suhu bilik, berjaya membina peranti dengan tingkap penyimpanan kuantum non-volatile terbesar di dunia—hanya dengan memasukkan satu elektron, tingkap penyimpanan boleh mencapai 0.5 volt. Ini menandakan teknologi penyimpanan maklumat cas telah mencapai puncak tertinggi “satu elektron, satu bit”.

Selain pengiraan dan penyimpanan, semikonduktor dua dimensi mempunyai kelebihan tak tergantikan dalam lebih banyak skenario khas. Sebagai bahan SOI yang paling ekstrem, semikonduktor dua dimensi mempunyai kelebihan unik dalam skenario seperti litar analog frekuensi radio, komunikasi tahan radiasi, dan antaramuka otak-mesin. Pada Januari tahun ini, berdasarkan platform satelit "Fudan No.1", sistem komunikasi frekuensi radio tahan radiasi berbahan semikonduktor dua dimensi telah berjaya menjalani pengesahan di orbit luar angkasa untuk pertama kalinya. Selain itu, semikonduktor dua dimensi boleh dihasilkan sebagai peranti fleksibel dan telus, yang mampu menyokong pembangunan peranti dalam bidang-bidang terkini seperti pengesanan optoelektrik dan pengiraan kuantum.

Sekarang, semikonduktor dua dimensi telah keluar sepenuhnya dari makmal dan memasuki peringkat baru iaitu pengesahan kejuruteraan dan pengeluaran dalam jumlah kecil. Dari terobosan skala wafer dalam penyediaan bahan, hingga pengintegrasian kejuruteraan lini pengeluaran, serta pelaksanaan aplikasi di pelbagai bidang seperti pengiraan dan penyimpanan, setiap peringkat dalam rantai nilai semikonduktor dua dimensi di dalam negara sedang dipercepatkan, dan secara awal telah membentuk rantai nilai yang lengkap yang merangkumi bahan, peralatan, pengeluaran, reka bentuk, dan aplikasi.

Di lintasan baru semikonduktor dua dimensi, persaingan antarabangsa telah sepenuhnya bermula. Pembentukan rantai nilai baru ini tidak hanya membuka kemungkinan baharu untuk teknologi cip di era pasca-Moore, tetapi juga mencipta dimensi persaingan baharu dalam penyesuaian semula struktur industri semikonduktor global.

Artikel ini berasal daripada akaun微信公众号 “Semikonduktor Industri Zongheng” (ID: ICViews), penulis: Pengcheng