Двумерная полупроводниковая промышленная цепочка Китая быстро формируется

Двумерные полупроводники, также известные как полупроводники с атомным слоем, представляют собой полупроводниковые материалы, толщина активного слоя которых составляет всего один или несколько атомных слоев. К ним относятся, например, переходные металлы халькогениды, такие как дисульфид молибдена, и они являются одним из ключевых материалов эпохи после Мура. Когда технологии производства кремниевых чипов приближаются к физическим пределам, традиционные кремниевые канальные полупроводниковые материалы достигли своего предела производительности. Двумерные полупроводники (такие как дисульфид молибдена, диселенид вольфрама, селенид индия и др.) благодаря своей естественной атомарной толщине способны обеспечить мощное естественное управление затвором на коротких каналах благодаря структуре с атомарно гладкой поверхностью на уровне ватерлиний, и рассматриваются как наиболее перспективные не-кремниевые новые материалы эпохи после Мура.

В настоящее время глобальный отраслевой консенсус ускоряется. Международные гиганты по производству волокон, такие как TSMC, Intel и Samsung, а также ведущие исследовательские институты, такие как IMEC и IRDS, уже четко определили свою стратегию в сегменте двумерных полупроводников, прогнозируя, что они станут ключевыми компонентами в гетерогенных интегрированных системах после узла 1 нм. В июне 2026 года TSMC совместно с ASML и imec впервые продемонстрировала на конференции VLSI интеграцию двумерных n/pFET с шагом контактных затворов 50 нм на 300-мм волокне, что свидетельствует о том, что международные гиганты ускоряют переход двумерных транзисторов из лаборатории в производство. В этих условиях отечественная промышленная цепочка также ускорила полномасштабное развертывание по всему циклу — от производства материалов и самостоятельной разработки оборудования до интеграции чипов и построения экосистемы, и цепочка двумерных полупроводников постепенно формируется.

Двумерные полупроводники считаются ключевыми материалами для производства чипов в пост-кремниевую эпоху, но масштабируемое и высококачественное производство вайферов из двумерных полупроводниковых материалов является предпосылкой для их промышленного применения. Среди них химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD) являются ключевыми технологиями для масштабного производства двумерных полупроводниковых материалов в будущем.

В области роста устройств и материалов команда профессора Ван Синьраня из Нанкинского университета совместно с своей индустриальной платформой трансформации Jiemoxin Technology достигла глубокой интеграции «академических инноваций — разработки оборудования — верификации технологий», добившись ряда прогрессов в области производства монокристаллов двухмерных полупроводников на уровне ватер. В октябре 2025 года команда, используя собственную разработку компании Jiemoxin Technology — оборудование Oxy-MOCVD 200 ultra (все ключевые компоненты которого полностью произведены в Китае), с помощью инновационной технологии обработки подложек впервые в мире объявила о масштабном производстве 6-дюймового монокристалла двухмерных переходных металлических халькогенидов, совместимого с такими материалами, как MoS₂, WS₂ и WSe₂, при этом коэффициент выравнивания однодоменных областей на 150-миллиметровой ватере превысил 99%. В январе 2026 года команда в сотрудничестве с командой Ван Цзиньлань из Юго-восточного университета разработала новую технологию кислородно-ассистированного металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (oxy-MOCVD), преодолев ограничения в управлении кинетикой роста: средний размер кристаллитов MoS₂ был увеличен с сотен нанометров до сотен микрометров, решив проблему равномерного роста на больших площадях для масштабного производства, а также коренным образом устранив проблему загрязнения углеродом. На основе этой технологии компания Jiemoxin провела глубокую модернизацию оборудования, обеспечив возможность предоставления клиентам готовых к использованию производственных процессов; текущая технологическая система охватывает основные двухмерные полупроводниковые материалы, такие как MoS₂, MoSe₂, WS₂ и WSe₂. На этой основе компания Jiemoxin впервые в мире достигла масштабного производства 8-дюймовых монокристаллов двухмерных полупроводников; продукция уже поступила в ведущие научные учреждения, такие как Кембриджский университет и Фуданьский университет, и компания заключила партнерские соглашения с производителями чипов, тем самым проложив ключевой путь от лабораторных образцов к промышленным материалам.

Помимо основных n-типовых материалов, недостатки в производстве на уровне пластин p-типовых двумерных полупроводников также устранены. Как и в случае кремниевых электронных устройств, монокристаллические пластины n- и p-типовых двумерных полупроводников являются основой и предпосылкой для создания двумерных CMOS-интегральных схем. На данный момент исследователи разработали множество n-типовых двумерных полупроводниковых материалов, среди которых MoS2 и WS2 уже успешно производятся в виде монокристаллических пластин на уровне всей пластины; однако p-типовые двумерные полупроводники, обладающие одновременно высокой подвижностью и отличной стабильностью, остаются крайне редкими, а достижение монокристаллического роста таких материалов на уровне пластин — еще более сложной задачей. В июле 2026 года команда Института металлов Китайской академии наук достигла прорыва, успешно изготовив крупногабаритные высокопроизводительные монокристаллические пластины p-типового MoSi₂N₄ мономолекулярного слоя. Эта система материалов была впервые разработана данной командой; ранее удавалось получать только поликристаллические пленки, при этом границы зерен значительно снижали производительность устройств и вызывали повреждения при переносе и обработке. В ходе данного исследования благодаря эффекту направляющего роста по ступенькам специальной монокристаллической подложки удалось обеспечить направленный рост материала и бесшовное соединение, полностью устранив ключевой недостаток — отсутствие качественных p-типовых материалов — в двумерных CMOS-схемах.

В направлении специальных материалов исследовательская группа профессора Пэн Хайлиня из Пекинского университета впервые достигла контролируемого синтеза ультратонких, равномерных ферроэлектрических пленок и их гетероструктур в масштабе вакуумных пластин, а также создала высокоскоростной ферроэлектрический транзистор с чрезвычайно низким рабочим напряжением (0,8 В) и высокой долговечностью (более 1,5×10¹² циклов). Его комплексные характеристики значительно превосходят существующие промышленные гафниевые ферроэлектрические системы и представляют собой наиболее известный на сегодняшний день ферроэлектрический транзистор с минимальным рабочим напряжением, наименьшим энергопотреблением и наилучшей долговечностью. Впервые в мире продемонстрирована высокопроизводительная система двухмерных ферроэлектрических материалов в масштабе вакуумных пластин, что предоставляет прорывную материальную основу и практический технологический путь для разработки энергоэффективных передовых чипов.

Прорывы в материалах и устройствах в конечном итоге должны быть реализованы в стандартизированной производственной системе.

9 июля 2026 года в Пудуне была полностью запущена 8-дюймовая инженерная демонстрационная линия по производству двумерных полупроводников, построенная оригинальной компанией Jimei Technology, что стало вехой в развитии двумерных полупроводников в Китае — переходе от научных исследований к промышленному производству. Линия была запущена в январе 2026 года и за менее чем полгода завершила настройку всего оборудования и оптимизацию технологических процессов. В отличие от лабораторных платформ для мелкосерийного опытного производства, она сейчас обладает полным циклом возможностей для поточного производства и инженерной опытной разработки, создав целостную инженерную цепочку от подготовки материалов до интеграции чипов. Ранее исследования в области двумерных полупроводников в Китае в основном сосредотачивались в университетских лабораториях, а изготовление устройств осуществлялось преимущественно вручную в небольших объемах, что значительно отставало от промышленных стандартов. Команда Jimei Technology в течение десяти лет преодолела трудности и реализовала полный производственный цикл — от выращивания вафель и интеграционных технологий до моделирования устройств, проектирования схем и упаковки с тестированием.

Соответствующий комплект инструментов для проектирования технологического процесса (PDK) также был внедрен, что дополнительно устранило барьеры между проектированием и производством. Версия 0.1 PDK на 500 нм, основанная на опытной линии 8 дюймов, опубликованная Yuanji, является первым в области двумерных полупроводников технологическим IP, совместимым с основными цепочками инструментов EDA, и включает полный набор инструментов, таких как Pcell, DRC, LVS, PEX. Коэффициент выхода годных изделий превышает 99,99%, все показатели превзошли международные рекорды и приблизились к уровню аналогичных процессов на кремниевой основе. В будущем это позволит поддерживать проектирование двумерных схем с десятками тысяч транзисторов и их производство на уровне вайфера.

С запуском производственной линии и выпуском PDK одновременно стартовали услуги по контрактному производству и экосистема отрасли. Команды из таких университетов, как Пекинский университет, Циньхуа университет, Шанхайский交通大学 и Наньцзинский университет, уже подписали соглашения о научно-исследовательской работе с Yuanjiwei. Услуги по производству на кристаллах официально открыты для научных исследований. Предприятия, такие как Сианьский институт передовых технологий и Шанхайская компания Erwei Xingke, также заключили стратегические партнерские соглашения в рамках цепочки создания стоимости, сосредоточившись на совместном использовании технологических платформ, трансфере результатов исследований и совместном развитии экосистемы. Соответствующая инфраструктура на местном уровне также развивается параллельно: район Чуаньша города Шанхая, используя пилотную линию Yuanjiwei в качестве основного объекта, привлекает компании из всей цепочки создания стоимости. На уровне всего Шанхая двухмерные полупроводники включены в список приоритетных направлений для развития будущих отраслей, с комплексными усилиями в области научных исследований, совместного инновационного развития и формирования экосистемы с целью создания полного производственного цикла «исследования — пилотное производство — серийное производство». Стоит отметить, что примерно 70% существующего оборудования для кремниевых полупроводников могут быть повторно использованы в производственной линии для двухмерных полупроводников, что не разрушит существующую промышленную систему, а, наоборот, создаст новые рыночные возможности в таких сегментах, как материалы, оборудование, производство и передовые упаковочные технологии.

По мере созревания производственной системы двухмерные полупроводники также расширяют свои применения от логических вычислений на хранилища и другие сферы.

В области логических вычислений в стране уже достигнут переход от устройств к сложным процессорам. В 2025 году был представлен первый в мире 32-битный микропроцессор архитектуры RISC-V на основе двумерных полупроводниковых материалов — «Уцзи», изготовленный из дисульфида молибдена (MoS2), содержащий 5900 транзисторов, толщиной всего 0,7 нанометра, с коэффициентом выхода одноступенчатого инвертора 99,77%. Это достижение подтвердило возможность полной цепочки самостоятельной разработки — от материалов и архитектуры до тиражирования. Процессор способен последовательно выполнять 37 команд 32-битной архитектуры RISC-V при частоте тактового генератора 1 кГц, полностью соответствуя требованиям целочисленного набора инструкций RV32I. Обладает высоким усилением на одной ступени и сверхнизким током утечки в выключенном состоянии, что делает его пригодным для применения в сценариях Интернета вещей и пограничных вычислений.

В 2026 году команда Ван Синьрэнь и Цю Хао из Наньцзинского университета в сотрудничестве с Национальной лабораторией Сучжоу и Huawei полностью интегрировала полный цикл проектирования, технологии и производства двухмерных полупроводниковых чипов, совместимый с производственной линией Fab, и успешно разработала первый в мире многоразрядный параллельный микропроцессор на основе дисульфида молибдена (MoS2) под названием «Мэнци (MAGIC)-1000». Плотность интеграции транзисторов установила новый рекорд для новых не кремниевых цифровых схем, что означает переход исследований в области двухмерных полупроводников в Китае на новую стадию интеграции с производственными линиями. На основе межуровневой совместной оптимизации команда интегрировала 1433 транзистора MoS2 на сверхкомпактной площади чипа при промышленном технологическом процессе 0,5 мкм и успешно создала микропроцессор «Мэнци-1000». Чип использует архитектуру RISC и состоит из четырех основных модулей: декодера команд, регистра, арифметико-логического устройства и мультиплексора. Плотность интеграции транзисторов превысила предыдущий международный рекорд на порядок, достигнув 9336 шт./мм² и сравнявшись с зрелыми кремниевыми технологиями того же узла. Впервые в мире чип реализовал многоразрядную параллельную обработку данных на основе двухмерных полупроводников, достигнув максимальной рабочей частоты 43 кГц, а также интегрировал регистровый файл непосредственно на двухмерном чипе, устранив задержки доступа и узкие места пропускной способности, связанные с внешней памятью.

В области хранения данных сверхнизкая утечка тока двухмерных полупроводников демонстрирует уникальную стратегическую ценность. Совместная команда Фуданьского университета разработала двухмерный полупроводниковый транзистор с самой низкой утечкой тока на сегодняшний день. Команда достигла рекордно низкого уровня утечки тока — эквивалентного одному электрону за 9,15 секунды. На основе этого была создана новая DRAM-чипа, обеспечивающая сверхдлительное время хранения данных более 8500 секунд при нулевом напряжении удержания, при этом сохраняя высокую скорость чтения/записи и способность к хранению большого объема данных. Оптимизированный беземкостный двухтранзисторный DRAM (2T0C) обеспечивает квазиневолатильную операцию хранения, точность хранения 5 бит и скорость записи на наносекундном уровне. Юань Цзи Вэй уже сделала DRAM приоритетным направлением развития. Сверхнизкая утечка тока двухмерных полупроводников значительно снижает энергопотребление при обновлении и имеет потенциал для первоначального внедрения в сценариях на краю и с высокой вычислительной мощностью; в будущем с использованием трехмерной стековой технологии можно будет постепенно увеличивать емкость DRAM. В июле 2026 года команда Чжоу Пэн и Лю Чуньсэнь из Фуданьского университета далее продвинулась вперед, впервые при комнатной температуре четко зафиксировав неволатильное хранение информации одним электроном и создав устройство с самым большим в мире окном неволатильного квантового хранения — при инжекции всего одного электрона окно хранения достигает 0,5 вольта. Это означает, что технология хранения информации с помощью заряда достигла наивысшей вершины — «один электрон, один бит».

Помимо вычислений и хранения, двумерные полупроводники обладают незаменимыми преимуществами в ряде специализированных сценариев. Как экстремальный материал SOI, двумерные полупроводники имеют уникальные преимущества в таких областях, как радиочастотные аналоговые схемы, радиационно-устойчивая связь и интерфейсы «мозг-компьютер». В январе этого года на платформе спутника «Фудань-1» впервые была проведена орбитальная проверка радиочастотной системы связи на основе двумерных полупроводников с радиационной устойчивостью. Кроме того, двумерные полупроводники могут быть изготовлены в виде гибких и прозрачных устройств, что позволяет поддерживать разработку компонентов для передовых областей, таких как фотоэлектрические датчики и квантовые вычисления.

Сегодня двухмерные полупроводники полностью вышли из лабораторий и перешли на новую стадию инженерной проверки и мелкосерийного производства. От прорыва в изготовлении материалов на уровне ваттеров до инженерной интеграции производственных линий и практического применения в таких областях, как вычисления и хранение данных, каждый этап отечественной цепочки создания двухмерных полупроводников ускоряется, и уже сформирована полная цепочка, охватывающая материалы, оборудование, производство, проектирование и применение.

На новом направлении двухмерных полупроводников международная конкуренция уже полностью развернулась. Формирование этой новой производственной цепочки не только открывает новые возможности для технологий чипов в эпоху после Мура, но и создает совершенно новое измерение конкуренции в перестройке глобальной полупроводниковой отрасли.

Эта статья взята из официального аккаунта WeChat «Полупроводниковая индустрия: Панорама» (ID: ICViews), автор: Пэнчэн