Двохвимірний напівпровідниковий ланцюжок Китаю швидко формується

Двохвимірні напівпровідники, також відомі як напівпровідники з атомними шарами, — це матеріали, товщина яких становить лише один або кілька атомних шарів, до яких належать переходні метали халькогеніди (наприклад, дисульфід молібдену). Вони є одним із ключових матеріалів ери після Мура. Коли виробництво кремнієвих чіпів наближається до фізичних меж, традиційні кремнієві напівпровідникові матеріали досягли своєї межі продуктивності. Двохвимірні напівпровідники (наприклад, дисульфід молібдену, диселенід вольфраму, селенід індію) завдяки своїй природній атомній товщині можуть забезпечити винятково сильний гейтовий контроль на коротких канальних масштабах за допомогою атомно гладкої структури на рівні вагону, що робить їх найперспективнішими не-кремнієвими матеріалами ери після Мура.

Зараз глобальна промислова згода прискорюється. Міжнародні лідери у виробництві ватерів — TSMC, Intel, Samsung — а також провідні дослідні інститути, такі як IMEC та IRDS, чітко визначили свою стратегію в сфері двовимірних напівпровідників, передбачаючи, що вони стануть ключовими компонентами гетерогенних інтегрованих систем після 1 нм. У червні 2026 року TSMC разом із ASML та imec вперше продемонструвала на конференції VLSI інтеграцію двовимірних n/pFET з кроком 50 нм на 300-мм ватері, що свідчить про те, що міжнародні лідери прискорюють перехід двовимірних транзисторів з лабораторій до серійного виробництва. У цих умовах національний ланцюжок постачання також прискорив повноцінне розгортання: були досягнуті прориви у виробництві матеріалів, розробці обладнання, інтеграції чипів та формуванні екосистеми — ланцюжок двовимірних напівпровідників набирає форми.

Двовимірні напівпровідники вважаються ключовим матеріалом для виробництва чіпів після кремнієвої ери, але масштабування та виготовлення високоякісних вузлів з двовимірних напівпровідникових матеріалів є передумовою для їхнього промислового застосування. Серед них хімічне осадження з газової фази (CVD) та металорганічне хімічне осадження з газової фази (MOCVD) є ключовими технологіями для майбутнього масштабного виробництва двовимірних напівпровідникових матеріалів.

У сфері зростання пристроїв і матеріалів команда професора Ван Сіньрена з Наньцзинського університету у співпраці зі своєю індустріальною платформою трансформації Jimo Xintech досягла глибокого синтезу між «академічними інноваціями — розробкою обладнання — верифікацією технологій», що призвело до серії прогресів у виробництві монокристалів двовимірних напівпровідників на рівні вуглецевих пластин. У жовтні 2025 року команда, використовуючи власну розробку Oxy-MOCVD 200 ultra (усі ключові компоненти — 100% китайського виробництва), за допомогою інноваційної технології підкладки вперше у світі повідомила про масове виробництво 6-дюймового монокристалу двовимірних переходних металевих халькогенідів, сумісного з такими матеріалами, як MoS₂, WS₂, WSe₂, з показником орієнтації однобічних доменів на 150-мм пластині понад 99%. У січні 2026 року команда у співпраці з командою Ван Цзиньлань з Університету Східної Китаю розробила нову технологію киснево-асистованого металоорганічного хімічного осадження (oxy-MOCVD), подолавши обмеження регулювання кінетики зростання: середній розмір кристалів MoS₂ був підвищений з сотень нанометрів до сотень мікрометрів, вирішуючи проблему масштабованого рівномірного зростання, а також коренево усунувши проблему забруднення вуглецем. На основі цієї технології Jimo Xintech провела глибоку адаптацію та модернізацію обладнання, забезпечивши нижчестоячим учасникам готову до використання технологічну здатність; тепер система охоплює основні двовимірні напівпровідникові матеріали, такі як MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂. На цьому фундаменті Jimo Xintech вперше у світі досягла масового виробництва 8-дюймових монокристалів двовимірних напівпровідників; продукція вже була прийнята провідними науковими установами, такими як Кембриджський університет і Університет Фудань, а також укладено угоди з підприємствами-виробниками чипів, що означає ключовий крок від лабораторних зразків до промислових матеріалів.

Крім домінуючих n-типу матеріалів, недолік у виробництві власне підкладок p-типу двовимірних напівпровідників також усунено. Як і для кремнієвих електронних пристроїв, монокристалічні підкладки n- та p-типу двовимірних напівпровідників є основою та передумовою для створення двовимірних CMOS інтегральних схем. На даний момент науковці розробили кілька n-типу двовимірних напівпровідникових матеріалів, зокрема MoS₂ та WS₂ вже були отримані у вигляді монокристалічних підкладок розміром з власну підкладку; однак p-типу двовимірні напівпровідники з високою рухливістю та відмінною стабільністю залишаються надзвичайно рідкісними, а отримання монокристалічних підкладок таких матеріалів ще складніше. У липні 2026 року команда Інституту металознавства Китайської академії наук досягла прориву, успішно виробивши великоплощинну високопродуктивну монокристалічну підкладку p-типу MoSi₂N₄. Ця система матеріалів була вперше розроблена цією командою; раніше було можливо отримувати лише полікристалічні плівки, де межі зерен значно знижували продуктивність пристроїв і спричиняли пошкодження під час перенесення та обробки. У цьому дослідженні за допомогою ефекту керування зростанням за допомогою схилу спеціального монокристалічного підкладу було досягнуто орієнтованого зростання матеріалу та безшовного з’єднання, повністю усунувши основний недолік — відсутність якісних p-типу матеріалів для двовимірних CMOS схем.

У напрямку спеціальних матеріалів дослідницька група професора Пен Хайліна з Пекінського університету вперше здійснила контролюване синтезування надтонких, рівномірних фероелектричних плівок та їх гетероструктур у масштабі відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відповідної відважливостях.

Прориви в матеріалах і пристроях в кінцевому підсумку повинні бути реалізовані в стандартизованій виробничій системі.

9 липня 2026 року в Пудуні було повністю запущено 8-дюймову інженерну демонстраційну лінію з виробництва двовимірних напівпровідників, створену Yuan Jiwei Technology, що стало визначальною віхою для переходу двовимірних напівпровідників з наукових досліджень до промислового виробництва в Китаї. Лінія була успішно запущена в січні 2026 року, і за менше ніж шість місяців було завершено налагодження всього обладнання та оптимізацію технологічних процесів. На відміну від лабораторних малих пілотних платформ, тепер лінія має повний потенціал для масового виробництва та інженерних зразків, створивши цілісний інженерний ланцюжок від виготовлення матеріалів до інтеграції чипів. Раніше дослідження двовимірних напівпровідників в Китаї здебільшого зосереджувалися в університетських лабораторіях, де виготовлення пристроїв здійснювалося в малих серіях ручним способом і істотно відрізнялося від промислових стандартів. Команда Yuan Jiwei протягом десяти років провела комплексну роботу, що дозволила створити повний технологічний цикл — вирощування вуглецевих пластина, інтеграційні технології, моделювання пристроїв, проектування схем та упаковку з тестуванням.

Відповідний набір інструментів для проектування технологічних процесів (PDK) також був впроваджений, що дало змогу подолати бар’єри між проектуванням і виробництвом. Версія 0.1 PDK на базі пілотної лінії 8 дюймів з розміром 500 нм, опублікована Yuanji, є першим у сфері двовимірних напівпровідників технологічним IP, сумісним із основними інструментами EDA, що містить повний набір інструментів: Pcell, DRC, LVS, PEX тощо. Коефіцієнт виходу продукції перевищує 99,99%, а всі показники перевищили міжнародні рекорди і майже досягли рівня аналогічних процесів на кремнієвій основі. У майбутньому це дозволить підтримувати проектування двовимірних схем з десятками тисяч транзисторів та їх виробництво на рівні виробництва власних виробів.

З запуском виробничої лінії та публікацією PDK, послуги напівпровідникового виробництва та промислова екосистема одночасно запущені. Команди з університетів Пекінського університету, Цинхуа, Шанхайського юніверситету Джіаотону, Наньцзинського університету та інших університетів вже підписали угоди про науково-дослідну співпрацю з Yuanjiwei, і послуги виробництва власних виробів офіційно відкриті для наукових установ. Також компанії, такі як Сіанський інноваційний інститут та Shanghai Erwei Star Technology, уклали стратегічні партнерські угоди щодо ланцюга поставок, зосереджуючись на спільному використанні технологічних платформ, трансфері результатів досліджень та спільному розвитку екосистеми. Відповідні місцеві промислові підтримуючі заходи також продовжуються: містечко Чуанша в Шанхаї, засноване на пілотній лінії Yuanjiwei, приваблює компанії з усіх ланок ланцюга поставок; на рівні всього Шанхаю двовимірні напівпровідники були включені до списку пріоритетних напрямків майбутньої промисловості, з акцентом на наукових дослідженнях, спільному інноваційному розвитку та формуванні екосистеми — метою є створення повного промислового циклу «дослідження — пілотне виробництво — серійне виробництво». Варто зауважити, що приблизно 70% обладнання для існуючих кремнієвих напівпровідників можуть бути повторно використані для двовимірних напівпровідників, що не зруйнує існуючу промислову систему, а навпаки, створить новий ринковий попит у сферах матеріалів, обладнання, виробництва та передових упаковок.

З дозріванням виробничої системи двовимірні напівпровідники також розширюються з логічних обчислень на застосування, такі як зберігання.

У сфері логічних обчислень країна здійснила стрибок від компонентів до складних процесорів. У 2025 році було представлено світовий перший 32-бітний мікропроцесор архітектури RISC-V на основі двовимірних напівпровідникових матеріалів під назвою «Уцзі», виготовлений із дисульфіду молібдену (MoS2), що містить 5900 транзисторів, товщиною лише 0,7 нанометра, із виходом добрих одиничних інверторів 99,77%. Це досягнення підтвердило повну ланцюжкову самостійну розробку — від матеріалу, архітектури до тиражування — та продемонструвало можливість створення складних логічних схем на основі двовимірних матеріалів. Процесор може послідовно виконувати 37 команд 32-бітної архітектури RISC-V при частоті тактування 1 кГц, що відповідає вимогам цілочисельного інструкційного набору RV32I. Він має високий коефіцієнт пісилення на одному рівні та надзвичайно низький струм у вимкненому стані, що робить його придатним для застосування в Інтернеті речей, крайових обчисленнях та інших сценаріях.

У 2026 році команда Ван Сіньрани та Цю Хао з Наньцзиньського університету у співпраці з Національною лабораторією Сучжоу та Huawei успішно інтегрувала повний цикл проектування, технологій та виробництва двовимірних напівпровідникових чіпів, сумісний з Fab-лініями, і розробила перший у світі багатобітний паралельний мікропроцесор на основі дисульфіду молібдену (MoS2) під назвою «Менці (MAGIC)-1000». Щільність інтеграції транзисторів встановила новий рекорд для нових не-кремнієвих цифрових схем, що свідчить про те, що дослідження двовимірних напівпровідників у Китаї вступили на нову фазу інтеграції з виробничими лініями. Завдяки мультирівневій спільної оптимізації команда інтегрувала 1433 транзистори MoS2 на надзвичайно компактній площі чіпа за допомогою промислового технологічного процесу 0,5 мкм, створивши мікропроцесор «Менці-1000». Чіп використовує інструкційний набір RISC і складається з чотирьох основних модулів: декодера інструкцій, регістрового файлу, арифметико-логічного пристрою та мультиплексора. Щільність інтеграції транзисторів зросла на порядок порівняно з попереднім світовим рекордом, досягнувши 9336 транзисторів/мм² — на рівні зрілих кремнієвих технологій того ж ноду. Цей чіп вперше реалізував багатобітну паралельну обробку даних на основі двовимірних напівпровідників, досягнувши максимальної робочої частоти 43 кГц, а також інтегрував регістровий файл безпосередньо на чипі, усунувши затримки доступу та обмеження пропускної здатності, пов’язані з зовнішньою пам’яттю.

У сфері зберігання надзвичайно низька витікність двовимірних напівпровідників демонструє унікальну стратегічну цінність. Команда Фуданського університету розробила двовимірний напівпровідниковий транзистор із найнижчим струмом витоку на сьогоднішній день. Ця команда досягла рекордно низького струму витоку — що дорівнює одному електрону за 9,15 секунди. На основі цього було створено новий чіп DRAM, який забезпечує наддовгий час зберігання даних понад 8500 секунд при нульовому напрузі підтримки, водночас забезпечуючи високу швидкість читання/запису та здатність до багатоємнісного зберігання. Оптимізований безконденсаторний двотранзисторний DRAM (2T0C) досяг квазінелетучого режиму роботи, точності зберігання 5 біт і швидкості запису на рівні наносекунд. Yuanji Micro вже визначив DRAM як пріоритетний напрямок розробки. Надзвичайно низька витікність двовимірних напівпровідників може значно знизити споживання енергії на оновлення, що робить їх перспективними для застосування на краю та у сценаріях з великою обчислювальною потужністю, а майбутнє поєднання з тривимірною стекуванням поступово збільшить ємність DRAM. У липні 2026 року команда Чжоу Пеня та Лю Чуньсена з Фуданського університету далі просунулася, вперше виявивши при кімнатній температурі нелетюче зберігання одного електрона та успішно створивши пристрій із найбільшим на світі нелетючим квантовим вікном зберігання — достатньо лише ін'єкції одного електрона, щоб вікно зберігання досягло 0,5 вольта. Це означає, що технологія зберігання інформації у вигляді заряду досягла найвищої вершини — «один електрон, один біт».

Крім обчислень і зберігання, двовимірні напівпровідники мають незамінні переваги в багатьох спеціалізованих сценаріях. Як екстремально тонкий матеріал SOI, двовимірні напівпровідники мають унікальні переваги в таких застосуваннях, як радіочастотні аналогові схеми, протистояння випромінюванню в комунікаціях та інтерфейси мозок-комп’ютер. У січні цього року на платформі супутника «Фудань-1» двовимірна напівпровідникова радіочастотна система з протистоянням випромінюванню вперше була успішно підтверджена в космосі. Крім того, двовимірні напівпровідники можуть бути виготовлені у вигляді гнучких та прозорих пристроїв, що підтримує розробку пристроїв для передових галузей, таких як оптоелектронне сенсорне обладнання та квантові обчислення.

Наразі двовимірні напівпровідники повністю вийшли з лабораторій і перейшли до нової етапу інженерної перевірки та невеликого серійного виробництва. Від кроків у виробництві матеріалів на рівні вілок до інженерної інтеграції виробничих ліній, а також застосування у таких галузях, як обчислення та зберігання, кожен елемент ланцюжка двовимірних напівпровідників у країні прискорюється, формуючи початкову повну ланцюжку, що охоплює матеріали, обладнання, виробництво, проектування та застосування.

На цьому новому напрямку — двовимірних напівпровідниках — міжнародна конкуренція вже повністю розгорнулася. Формування цього нового ланцюжка поставило нові можливості для чіпів у еру після Мура та відкрило зовсім новий вимір конкуренції в глобальній структурі напівпровідникової промисловості.

Цей матеріал надійшов із微信-каналу «Полупровідникова індустрія: Панорама» (ID: ICViews), автор: Пенчень