A cadeia industrial de semicondutores 2D da China está se formando rapidamente

Semicondutores bidimensionais, também conhecidos como semicondutores em camadas atômicas, são materiais semicondutores cuja camada funcional central tem espessura de apenas um único átomo ou poucas camadas atômicas, representados por calcogenetos de metais de transição (como o dissulfeto de molibdênio), e são considerados um dos materiais-chave na era pós-Moore. À medida que os processos de chips baseados em silício se aproximam dos limites físicos, os materiais semicondutores tradicionais de canal de silício já atingiram seu teto de desempenho. Os semicondutores bidimensionais (como dissulfeto de molibdênio, diseleneto de tungstênio e seleneto de índio) aproveitam a vantagem natural da espessura atômica para alcançar uma forte capacidade de controle de porta em escalas de canal curto, com estruturas atomicamente planas em wafers, sendo vistos como os novos materiais não-silício mais promissores na era pós-Moore.

Atualmente, um consenso industrial global está se formando rapidamente. Grandes fabricantes internacionais de wafers, como TSMC, Intel e Samsung, bem como instituições de pesquisa de ponta, como IMEC e IRDS, já definiram claramente suas estratégias na área de semicondutores bidimensionais, prevendo que eles serão integrados como componentes centrais em sistemas de integração heterogênea após o nó de 1 nm. Em junho de 2026, a TSMC, em parceria com a ASML e a imec, apresentou pela primeira vez, no seminário VLSI, a integração de n/pFET bidimensionais com espaçamento de porta de contato de 50 nm em wafers de 300 mm, marcando o acelerado avanço das grandes empresas internacionais na transição dos transistores bidimensionais do laboratório para a linha de produção. Diante desse cenário, a cadeia produtiva nacional também acelerou seu posicionamento em toda a cadeia, alcançando avanços na preparação de materiais, no desenvolvimento próprio de equipamentos, na integração de chips e na construção do ecossistema, com a cadeia de semicondutores bidimensionais já se formando.

Os semicondutores bidimensionais são considerados materiais-chave para a fabricação de chips na pós-era do silício, mas a preparação em escala e de alta qualidade de discos de semicondutores bidimensionais é um pré-requisito para sua aplicação industrial. Entre eles, a deposição química de vapor (CVD) e a deposição química de vapor por metalorgânicos (MOCVD) são tecnologias-chave para a fabricação em escala de materiais semicondutores bidimensionais no futuro.

Na área de crescimento de dispositivos e materiais, a equipe do professor Wang Xinran da Universidade de Nanjing, em colaboração com sua plataforma de transformação industrial, Jiyue Xintech, desenvolveu um ciclo fechado de profunda integração entre “inovação acadêmica—desenvolvimento de equipamentos—validação de processo”, obtendo uma série de avanços na preparação de cristais unidimensionais de semicondutores bidimensionais em escala de wafer. Em outubro de 2025, a equipe, utilizando o equipamento Oxy-MOCVD 200 ultra desenvolvido autonomamente pela Jiyue Xintech (com componentes-chave 100% nacionalizados), por meio de uma engenharia inovadora de substrato, relatou pela primeira vez no mundo a produção em massa de cristais únicos de semicondutores bidimensionais de compostos de metal de transição e enxofre com 6 polegadas, compatíveis com diversos materiais como MoS₂, WS₂ e WSe₂, alcançando uma taxa de alinhamento unidirecional de domínios superior a 99% em wafers de 150 mm. Em janeiro de 2026, em colaboração com a equipe do professor Wang Jinlan da Universidade do Sudeste, a equipe desenvolveu uma nova tecnologia de deposição química em fase vapor por metal orgânico assistida por oxigênio (oxy-MOCVD), superando o gargalo na regulação da cinética de crescimento: aumentou o tamanho médio dos domínios de MoS₂ de centenas de nanômetros para centenas de micrômetros, resolvendo o problema da produção em larga escala com uniformidade, e eliminando simultaneamente a contaminação por carbono na fonte. Com base nesse processo, a Jiyue Xintech realizou atualizações profundas e personalizadas em seus equipamentos, oferecendo capacidade de processo plug-and-play para downstream. Atualmente, o sistema tecnológico já cobre os principais materiais semicondutores bidimensionais, incluindo MoS₂, MoSe₂, WS₂ e WSe₂. Sobre essa base, a Jiyue Xintech alcançou ainda mais um marco global: a produção em massa de cristais únicos semicondutores bidimensionais de 8 polegadas. Seus produtos já entraram em instituições de pesquisa de ponta, como a Universidade de Cambridge e a Universidade Fudan, e estabeleceram parcerias com empresas fabricantes de chips, consolidando assim o passo crucial da transição de amostras laboratoriais para materiais em escala industrial.

Além dos materiais n-type dominantes, a lacuna na produção em escala de wafer de semicondutores bidimensionais p-type também foi preenchida. Assim como nos dispositivos eletrônicos baseados em silício, cristais monocristalinos em escala de wafer de semicondutores bidimensionais n-type e p-type são a base e o pré-requisito para a construção de circuitos integrados CMOS bidimensionais. Até agora, pesquisadores já desenvolveram diversos materiais semicondutores bidimensionais n-type, entre os quais MoS₂ e WS₂ já alcançaram a produção de monocristais em escala de wafer; no entanto, semicondutores bidimensionais p-type com alta mobilidade e excelente estabilidade ainda são extremamente raros, e a realização do crescimento monocristalino em escala de wafer desses materiais é ainda mais desafiadora. Em julho de 2026, a equipe do Instituto de Metalurgia da Academia Chinesa de Ciências obteve uma ruptura, conseguindo produzir wafer monocristalino de camada única p-type MoSi₂N₄ em grande área e de alto desempenho. Esse sistema de materiais foi criado originalmente por essa equipe; anteriormente, apenas filmes policristalinos podiam ser produzidos, e as junções entre grãos reduziam drasticamente o desempenho dos dispositivos, além de serem propensos a rachaduras durante o processo de transferência e processamento. Neste estudo, por meio do efeito de orientação guiada por degraus em substratos monocristalinos especiais, foi possível realizar o crescimento direcional do material e sua junção sem falhas, completando assim a deficiência central de longa data nos circuitos CMOS bidimensionais: a falta de materiais p-type de alta qualidade.

No campo de materiais destacados, a equipe de pesquisa liderada pelo professor Peng Hailin da Universidade de Pequim realizou, pela primeira vez, a preparação controlada de filmes ferroelétricos ultrafinos e uniformes em escala de wafer, bem como suas estruturas heterogêneas, e construiu um transistor ferroelétrico de alta velocidade com tensão de operação extremamente baixa (0,8 V) e durabilidade muito alta (mais de 1,5 × 10¹² ciclos), cujo desempenho global supera significativamente os sistemas ferroelétricos baseados em háfnio industriais atuais, sendo o transistor ferroelétrico com menor tensão de operação, menor consumo de energia e melhor durabilidade conhecido até o momento. Pela primeira vez no mundo, foi demonstrado um sistema de materiais ferroelétricos bidimensionais em escala de wafer com alto desempenho, fornecendo uma base material inovadora e um caminho tecnológico viável para o desenvolvimento de chips avançados de alta eficiência energética.

As inovações em materiais e dispositivos precisam, finalmente, ser implementadas em um sistema de fabricação padronizado.

Em 9 de julho de 2026, a linha de produção de demonstração de engenharia de semicondutores bidimensionais de 8 polegadas, construída pela Yuan Jiwei Technology, foi totalmente operacionalizada em Pudong, marcando um marco nacional na transição dos semicondutores bidimensionais da pesquisa científica para a industrialização. A linha de produção foi ativada em janeiro de 2026 e, em apenas seis meses, concluiu a calibração de todos os equipamentos e a otimização dos processos. Diferentemente das plataformas piloto de pequeno porte em laboratórios, ela agora possui capacidade completa de fabricação e prototipagem de engenharia, estabelecendo uma cadeia de engenharia completa desde a preparação de materiais até a integração de chips. Antes disso, a pesquisa em semicondutores bidimensionais na China concentrava-se principalmente em laboratórios universitários, com a fabricação de dispositivos realizada principalmente em pequena escala e manualmente, apresentando grandes diferenças em relação aos padrões industriais. A equipe da Yuan Jiwei passou uma década superando desafios, consolidando todo o processo de fabricação, desde o crescimento de wafers, passando pela integração de processos, modelagem de dispositivos, design de circuitos até o empacotamento e teste.

O pacote de ferramentas de design de processo (PDK) correspondente foi lançado simultaneamente, eliminando ainda mais as barreiras entre o design e a fabricação. A versão 0.1 do PDK de 500 nm, baseada na linha de pilotagem de 8 polegadas, publicada originalmente por Yuan Jiwei, é o primeiro IP de processo compatível com a cadeia principal de ferramentas EDA no campo dos semicondutores bidimensionais, incluindo um conjunto completo de ferramentas como Pcell, DRC, LVS e PEX. A taxa de rendimento do processo supera 99,99%, com indicadores que superam recordes internacionais e se aproximam basicamente do nível de processo equivalente em silício, podendo suportar futuramente o design e a fabricação em wafer de circuitos bidimensionais com até 100.000 transistores.

Com a integração da linha de produção e o lançamento do PDK, os serviços de fabricação sob contrato e o ecossistema industrial foram simultaneamente iniciados. Equipes de universidades como a Universidade de Pequim, a Universidade Tsinghua, a Universidade Jiaotong de Xangai e a Universidade de Nankin já assinaram acordos de pesquisa e desenvolvimento com Yuanjiwei, abrindo oficialmente os serviços de fabricação de wafers para a comunidade científica; empresas como o Instituto Pioneiro de Xi'an e a Shanghai Erwei Star Technology também estabeleceram parcerias estratégicas na cadeia de suprimentos, promovendo cooperação aprofundada em torno do compartilhamento de plataformas de processo, transformação de resultados e construção conjunta do ecossistema. Os suportes industriais locais também estão sendo acompanhados simultaneamente: o distrito de Chuansha Nova, em Xangai, está atraindo empresas de toda a cadeia de suprimentos em torno da linha de prototipagem da Yuanjiwei; em nível municipal, Xangai já incluiu semicondutores bidimensionais como uma direção-chave para o desenvolvimento de indústrias futuras, atuando integralmente em pesquisa científica, inovação colaborativa e promoção do ecossistema, com o objetivo de formar um ciclo industrial completo de “pesquisa e desenvolvimento – prototipagem – produção em massa”. É importante notar que a linha de produção de semicondutores bidimensionais pode reutilizar cerca de 70% dos equipamentos existentes de semicondutores baseados em silício, não perturbando o sistema industrial atual, mas sim gerando novos incrementos de mercado em áreas como materiais, equipamentos, fabricação e embalagem avançada.

À medida que o sistema de fabricação amadurece, os semicondutores bidimensionais também estão se expandindo para aplicações como armazenamento, além do cálculo lógico.

No campo do cálculo lógico, a China já realizou a transição de dispositivos individuais a processadores complexos. Em 2025, foi lançado o primeiro processador micro de 32 bits baseado em material semicondutor bidimensional do mundo, chamado "Wuji", utilizando material de dissulfeto de molibdênio (MoS₂), integrando 5.900 transistores, com espessura de apenas 0,7 nanômetros e taxa de yield de inversores individuais de 99,77%. O processador alcançou o desenvolvimento independente em toda a cadeia, desde materiais até arquitetura e fabricação, validando a viabilidade da construção de circuitos lógicos complexos com materiais bidimensionais. Esse processador pode executar serialmente 37 instruções de 32 bits da arquitetura RISC-V em uma frequência de relógio de 1 kHz, atendendo aos requisitos do conjunto de instruções inteiras RV32I. Apresenta alto ganho em estágio único e baixíssima corrente de fuga no estado desligado, sendo adequado para aplicações como Internet das Coisas e computação de borda.

Em 2026, a equipe de Wang Xinran e Qiu Hao da Universidade de Nanjing, em colaboração com o Laboratório Nacional de Suzhou e a Huawei, completou integralmente o fluxo de projeto, processo e fabricação de chips semicondutores bidimensionais compatíveis com linhas de produção Fab, desenvolvendo com sucesso o primeiro microprocessador paralelo de múltiplos bits do mundo baseado em dissulfeto de molibdênio (MoS2), denominado "Mengqi (MAGIC)-1000". A densidade de integração de transistores estabeleceu um novo recorde mundial para circuitos digitais não-silício emergentes, marcando a entrada da pesquisa chinesa em semicondutores bidimensionais em uma nova fase de integração com linhas de produção. Com base na otimização colaborativa entre níveis, a equipe integrou 1.433 transistores de MoS2 em uma área de chip ultracompacta sob um processo industrial de 0,5 μm, desenvolvendo com sucesso o microprocessador "Mengqi-1000". Este chip utiliza o conjunto de instruções RISC, composto por quatro módulos principais: decodificador de instruções, banco de registradores, unidade aritmético-lógica e multiplexadores. A densidade de transistores integrados aumentou uma ordem de grandeza em relação ao recorde internacional anterior, atingindo 9.336 transistores/mm², comparável ao processo maduro de silício no mesmo nó. O chip realiza pela primeira vez operações paralelas de dados múltiplos em semicondutores bidimensionais, alcançando uma frequência máxima de operação de 43 kHz, e integra um banco de registradores on-chip no chip bidimensional, eliminando a latência e os gargalos de largura de banda associados ao armazenamento externo.

No campo de armazenamento, a característica de ultra baixa fuga dos semicondutores bidimensionais apresenta um valor estratégico único. Uma equipe conjunta da Universidade Fudan desenvolveu o transistor de semicondutor bidimensional com a menor corrente de fuga já registrada. A equipe alcançou uma corrente de fuga recorde — equivalente a apenas um elétron fugindo a cada 9,15 segundos. Com base nisso, um novo chip de memória DRAM foi desenvolvido, conseguindo um tempo de retenção de dados superior a 8.500 segundos sem tensão de retenção, enquanto mantém alta velocidade de leitura/escrita e capacidade de armazenamento múltipla. O DRAM de dois transistores sem capacitor (2T0C) otimizado realiza operações de armazenamento quase não voláteis, precisão de armazenamento de 5 bits e velocidade de escrita na ordem de nanosegundos. Yuan Jiwēi já posicionou o DRAM como uma área estratégica de foco. A característica de ultra baixa fuga dos semicondutores bidimensionais pode reduzir drasticamente o consumo de energia de refresh, com potencial para implementação inicial em cenários de borda e de alto poder computacional, e futuramente aumentar a capacidade do DRAM por meio da integração com tecnologias de empilhamento tridimensional. Em julho de 2026, a equipe de Zhou Peng e Liu Chunsen da Universidade Fudan avançou ainda mais, observando pela primeira vez em temperatura ambiente o comportamento de armazenamento não volátil de um único elétron, criando com sucesso um dispositivo com a maior janela de armazenamento quântico não volátil do mundo — bastando injetar um único elétron para alcançar uma janela de armazenamento de 0,5 volt. Isso marca o ápice da tecnologia de armazenamento de informação por carga: “um elétron, um bit”.

Além de cálculo e armazenamento, os semicondutores bidimensionais possuem vantagens insubstituíveis em mais cenários especializados. Como material SOI extremo, os semicondutores bidimensionais apresentam vantagens únicas em aplicações como circuitos analógicos de rádiofrequência, comunicações resistentes à radiação e interfaces cérebro-máquina. Em janeiro deste ano, com base na plataforma do satélite "Fudan-1", o sistema de comunicação de rádiofrequência resistente à radiação baseado em semicondutores bidimensionais realizou pela primeira vez a validação em órbita espacial. Além disso, os semicondutores bidimensionais podem ser fabricados como dispositivos flexíveis e transparentes, apoiando o desenvolvimento de componentes para áreas de ponta como sensores optoeletrônicos e computação quântica.

Atualmente, os semicondutores bidimensionais já saíram completamente do laboratório e entraram em uma nova fase de desenvolvimento, com validação de engenharia e produção em pequena escala. Desde a突破 em nível de wafer na preparação de materiais, até a integração de engenharia na linha de produção, e posteriormente a aplicação em diversos campos como computação e armazenamento, cada etapa da cadeia de valor de semicondutores bidimensionais no país está acelerando, formando inicialmente uma cadeia completa que abrange materiais, equipamentos, fabricação, design e aplicações.

Na nova área dos semicondutores bidimensionais, a competição internacional já está plenamente em andamento. A formação dessa nova cadeia produtiva não apenas oferece novas possibilidades para a tecnologia de chips na era pós-Moore, mas também abre uma nova dimensão de competição na reestruturação do cenário global da indústria de semicondutores.

Este artigo é do canal oficial do WeChat "Semiconductor Industry纵横" (ID: ICViews), autor: Pengcheng