Chuỗi ngành công nghiệp bán dẫn 2D của Trung Quốc đang nhanh chóng hình thành

Bán dẫn hai chiều, còn được gọi là bán dẫn lớp nguyên tử, là một loại vật liệu bán dẫn có độ dày của lớp chức năng cốt lõi chỉ bằng một lớp nguyên tử hoặc vài lớp nguyên tử, đại diện tiêu biểu là các hợp chất chalcogenide kim loại chuyển tiếp (như molypden disunfua), và là một trong những vật liệu then chốt của thời kỳ sau Moore. Khi quy trình chip dựa trên silic tiến gần đến giới hạn vật lý, các vật liệu bán dẫn kênh silic truyền thống đã tiếp cận trần hiệu năng của chúng. Bán dẫn hai chiều (như molypden disunfua, tungsten diselenide, indium selenide...) nhờ lợi thế tự nhiên về độ dày cấp nguyên tử, có thể đạt được khả năng điều khiển cổng mạnh mẽ tự nhiên ở quy mô kênh ngắn với cấu trúc phẳng nguyên tử ở cấp độ wafer, được xem là vật liệu mới phi-silic đầy tiềm năng nhất của thời kỳ sau Moore.

Hiện nay, sự đồng thuận công nghiệp toàn cầu đang được thúc đẩy nhanh chóng. Các tập đoàn sản xuất wafer hàng đầu thế giới như TSMC, Intel, Samsung, cùng các tổ chức nghiên cứu hàng đầu như IMEC và IRDS, đều đã xác định rõ chiến lược phát triển lĩnh vực bán dẫn hai chiều, dự đoán rằng chúng sẽ trở thành thành phần cốt lõi trong các hệ thống tích hợp hỗn hợp sau nút 1nm. Vào tháng 6 năm 2026, TSMC đã cùng ASML và imec trình diễn lần đầu tiên tại hội nghị VLSI việc tích hợp n/pFET hai chiều trên wafer 300 mm với khoảng cách cổng tiếp xúc 50 nm, đánh dấu sự gia tốc của các tập đoàn quốc tế trong việc đưa transistor hai chiều từ phòng thí nghiệm vào dây chuyền sản xuất. Trong bối cảnh này, chuỗi công nghiệp trong nước cũng đã tăng tốc triển khai toàn bộ chuỗi giá trị, đạt được những bước đột phá từ chuẩn bị vật liệu, tự nghiên cứu thiết bị đến tích hợp chip và xây dựng hệ sinh thái, trong khi chuỗi ngành bán dẫn hai chiều đang dần hình thành.

Các chất bán dẫn hai chiều được coi là vật liệu then chốt trong sản xuất chip sau thời kỳ silic, nhưng việc sản xuất hàng loạt và chế tạo wafer chất lượng cao từ các vật liệu bán dẫn hai chiều là điều kiện tiên quyết để chúng hướng tới ứng dụng công nghiệp. Trong đó, lắng đọng hóa học khí (CVD) và lắng đọng hóa học khí kim loại hữu cơ (MOCVD) là những công nghệ then chốt để hiện thực hóa sản xuất hàng loạt các vật liệu bán dẫn hai chiều trong tương lai.

Trong lĩnh vực thiết bị và phát triển vật liệu, nhóm giáo sư Vương Tân Nhiên tại Đại học Nam Kinh phối hợp với nền tảng chuyển giao công nghiệp cực Mạc Tâm Khoa, đã tạo ra một vòng khép kín sâu sắc kết hợp “đổi mới học thuật—chế tạo thiết bị—xác minh quy trình”, đạt được nhiều tiến bộ trong lĩnh vực sản xuất tinh thể đơn của bán dẫn hai chiều ở cấp độ wafer. Tháng 10 năm 2025, nhóm dựa vào thiết bị Oxy-MOCVD 200 ultra do cực Mạc Tâm Khoa tự phát triển (các bộ phận cốt lõi 100% trong nước), thông qua kỹ thuật衬底 đổi mới, đã công bố lần đầu tiên trên thế giới việc sản xuất hàng loạt tinh thể đơn của bán dẫn chalcogenide kim loại chuyển tiếp hai chiều kích thước 6 inch, tương thích với nhiều vật liệu như MoS₂, WS₂, WSe₂, với tỷ lệ định hướng đồng nhất một chiều trên wafer 150 mm vượt quá 99%. Tháng 1 năm 2026, nhóm hợp tác với nhóm Vương Kim Lan tại Đại học Đông Nam, phát triển công nghệ lắng đọng hóa học khí pha kim loại hữu cơ hỗ trợ oxy (oxy-MOCVD) hoàn toàn mới, phá vỡ điểm nghẽn trong điều khiển động học tăng trưởng, vừa nâng kích thước trung bình của các vùng tinh thể MoS₂ từ cấp độ trăm nanomet lên hàng trăm micromet, giải quyết bài toán sản xuất hàng loạt với tính đồng đều trên diện tích lớn, vừa triệt để ngăn chặn vấn đề ô nhiễm carbon. Dựa trên quy trình này, cực Mạc Tâm Khoa đã hoàn thành nâng cấp thiết bị tùy chỉnh sâu, cung cấp khả năng quy trình “cắm và sử dụng” cho các bên downstream. Hiện nay, hệ thống công nghệ đã bao phủ các vật liệu bán dẫn hai chiều chính流 như MoS₂, MoSe₂, WS₂ và WSe₂. Trên cơ sở này, cực Mạc Tâm Khoa tiếp tục tiên phong toàn cầu trong việc sản xuất hàng loạt tinh thể đơn bán dẫn hai chiều kích thước 8 inch; sản phẩm đã được các viện nghiên cứu hàng đầu như Đại học Cambridge và Đại học Phúc Đán tiếp nhận, đồng thời thiết lập hợp tác với các doanh nghiệp sản xuất chip downstream, hoàn thành bước quan trọng chuyển từ mẫu phòng thí nghiệm sang vật liệu cấp dây chuyền sản xuất.

Ngoài các vật liệu n-type phổ biến, điểm yếu trong sản xuất wafer cấp độ của bán dẫn hai chiều p-type cũng đã được khắc phục. Tương tự như các thiết bị điện tử dựa trên silic, tinh thể đơn wafer cấp độ của bán dẫn hai chiều n-type và p-type là nền tảng và điều kiện tiên quyết để xây dựng mạch tích hợp CMOS hai chiều. Cho đến nay, các nhà khoa học đã phát triển nhiều vật liệu bán dẫn hai chiều n-type, trong đó MoS2, WS2 đã đạt được sản xuất tinh thể đơn wafer cấp độ; tuy nhiên, các vật liệu bán dẫn hai chiều p-type có độ di động cao và độ ổn định xuất sắc vẫn cực kỳ khan hiếm, và việc thực hiện sự phát triển tinh thể đơn wafer cấp độ cho các vật liệu này còn khó khăn hơn nhiều. Tháng 7 năm 2026, nhóm nghiên cứu từ Viện Kim loại, Viện Khoa học Trung Quốc đã đạt được bước đột phá, thành công trong việc sản xuất wafer tinh thể đơn lớp p-type MoSi₂N₄ quy mô lớn và hiệu suất cao. Hệ thống vật liệu này do nhóm nghiên cứu sáng tạo ra; trước đây chỉ có thể sản xuất màng đa tinh thể, các khe hở grain boundary làm giảm đáng kể hiệu suất thiết bị và dễ bị hư hỏng trong quá trình chuyển và gia công; nghiên cứu lần này đã tận dụng hiệu ứng dẫn hướng từ bậc của nền tinh thể đặc biệt để đạt được sự phát triển định hướng và ghép nối không khe hở, hoàn toàn khắc phục điểm yếu cốt lõi lâu dài trong mạch CMOS hai chiều – thiếu hụt vật liệu p-type chất lượng cao.

Về hướng vật liệu đặc trưng, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Peng Hailin tại Đại học Bắc Kinh đã lần đầu tiên đạt được việc điều khiển tổng hợp các màng sắt điện siêu mỏng, đồng đều và các cấu trúc dị thể ở quy mô wafer, đồng thời chế tạo thành công transistor sắt điện tốc độ cao với điện áp hoạt động cực thấp (0,8 V) và độ bền cực cao (trên 1,5×10¹² chu kỳ), với hiệu suất tổng thể vượt trội rõ rệt so với các hệ thống sắt điện hafnium công nghiệp hiện có, là transistor sắt điện có điện áp hoạt động nhỏ nhất, tiêu thụ năng lượng thấp nhất và độ bền tối ưu được biết đến cho đến nay. Đây là lần đầu tiên trên thế giới trình diễn hệ thống vật liệu sắt điện hai chiều quy mô wafer hiệu suất cao, cung cấp nền tảng vật liệu đột phá và lộ trình kỹ thuật khả thi để phát triển chip tiên tiến tiết kiệm năng lượng.

Sự đột phá trong vật liệu và thiết bị cuối cùng cần được triển khai vào hệ thống sản xuất tiêu chuẩn hóa.

Ngày 9 tháng 7 năm 2026, dây chuyền công nghệ mẫu sản xuất bán dẫn hai chiều 8 inch do Nguyên Tập Vi Khoa Tech xây dựng đã hoàn tất toàn bộ tuyến sản xuất tại Phố Đông, trở thành cột mốc quan trọng trong hành trình chuyển đổi bán dẫn hai chiều từ nghiên cứu khoa học sang thương mại hóa tại Trung Quốc. Dây chuyền này đã được khởi động vào tháng 1 năm 2026 và chỉ trong hơn sáu tháng đã hoàn thành việc hiệu chỉnh thiết bị và tối ưu hóa quy trình toàn bộ. Khác với các nền tảng thử nghiệm quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm, dây chuyền hiện tại đã sở hữu đầy đủ năng lực sản xuất wafer và thử nghiệm kỹ thuật, xây dựng nên chuỗi công nghệ hoàn chỉnh từ chuẩn bị vật liệu đến tích hợp chip. Trước đó, nghiên cứu về bán dẫn hai chiều tại Trung Quốc chủ yếu tập trung trong các phòng thí nghiệm đại học, với việc chế tạo thiết bị chủ yếu dựa trên thử nghiệm thủ công quy mô nhỏ, tạo ra khoảng cách lớn so với tiêu chuẩn công nghiệp; đội ngũ Nguyên Tập Vi đã nỗ lực suốt mười năm để kết nối toàn bộ quy trình sản xuất, bao gồm tăng trưởng wafer, công nghệ tích hợp, mô hình hóa thiết bị, thiết kế mạch và đóng gói kiểm thử.

Bộ công cụ thiết kế quy trình (PDK) đi kèm đã được triển khai đồng bộ, tiếp tục xóa bỏ rào cản kết nối giữa thiết kế và sản xuất. Phiên bản 0.1 của PDK 500 nm dựa trên dây chuyền thử nghiệm 8 inch do Jiji Media công bố là IP quy trình đầu tiên trong lĩnh vực bán dẫn hai chiều tương thích với chuỗi công cụ EDA chính流, bao gồm bộ công cụ đầy đủ như Pcell, DRC, LVS, PEX, với tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn vượt quá 99,99%, các chỉ số toàn diện phá vỡ kỷ lục quốc tế, gần như đạt mức tương đương với quy trình dựa trên silic, trong tương lai có thể hỗ trợ thiết kế và sản xuất wafer cho các mạch hai chiều với quy mô lên đến 100.000 linh kiện.

Kèm theo việc thông suốt dây chuyền sản xuất và công bố PDK, dịch vụ gia công và hệ sinh thái công nghiệp đồng thời được khởi động. Các nhóm từ các trường đại học như Đại học Bắc Kinh, Đại học Thanh Hoa, Đại học Giao Thông Thượng Hải, Đại học Nam Kinh đã ký kết thỏa thuận nghiên cứu hợp tác doanh nghiệp - trường học với Nguyên Tập Vi, chính thức mở cửa dịch vụ gia công wafer cho lĩnh vực khoa học nghiên cứu; các doanh nghiệp như Viện Tiên phong Tây An và Công ty Công nghệ Hai chiều Tinh Tinh Thượng Hải cũng đã đạt được thỏa thuận hợp tác chiến lược chuỗi công nghiệp, tập trung vào chia sẻ nền tảng công nghệ, chuyển giao kết quả nghiên cứu và cùng xây dựng hệ sinh thái. Các cơ sở hạ tầng công nghiệp địa phương cũng đang đồng bộ theo kịp: Quận Xuyên Sa mới Thượng Hải lấy dây chuyền thử nghiệm của Nguyên Tập Vi làm trung tâm, thu hút sự tập trung của các doanh nghiệp trong và ngoài chuỗi cung ứng; trên phạm vi toàn thành phố Thượng Hải, bán dẫn hai chiều đã được đưa vào danh sách các ngành công nghiệp tương lai trọng điểm cần phát triển, với nỗ lực toàn diện từ nghiên cứu khoa học, đổi mới phối hợp đến nuôi dưỡng hệ sinh thái, hướng tới hình thành chuỗi khép kín “nghiên cứu—thử nghiệm—sản xuất hàng loạt”. Điều đáng chú ý là dây chuyền sản xuất bán dẫn hai chiều có thể tái sử dụng khoảng 70% thiết bị bán dẫn silic hiện có, không làm đảo lộn hệ thống công nghiệp hiện tại, mà ngược lại sẽ tạo ra các phân khúc thị trường mới hoàn toàn trong các khâu như vật liệu, thiết bị, sản xuất và đóng gói tiên tiến.

Cùng với sự trưởng thành của hệ thống sản xuất, bán dẫn hai chiều cũng đang mở rộng sang các ứng dụng như lưu trữ.

Trong lĩnh vực tính toán logic, Trung Quốc đã hoàn thành bước nhảy từ thiết bị đến bộ xử lý phức tạp. Năm 2025, bộ vi xử lý 32-bit RISC-V đầu tiên trên thế giới dựa trên vật liệu bán dẫn hai chiều mang tên "Vô Cực" đã được ra mắt, sử dụng vật liệu disulfide molypden (MoS2), tích hợp 5.900 transistor, độ dày chỉ 0,7 nanomet, tỷ lệ lỗi của bộ đảo một cấp đạt 99,77%, đạt được tự chủ toàn chuỗi từ vật liệu, kiến trúc đến quá trình sản xuất chip, xác minh tính khả thi của việc xây dựng mạch logic phức tạp từ vật liệu hai chiều. Bộ xử lý này có thể thực hiện tuần tự 37 lệnh RISC-V 32-bit ở tần số đồng hồ 1 kHz, đáp ứng yêu cầu của bộ lệnh nguyên RV32I. Bộ xử lý sở hữu đặc tính khuếch đại cao một cấp và dòng rò cực thấp ở trạng thái tắt, phù hợp với các ứng dụng như Internet of Things và tính toán biên.

Năm 2026, nhóm của Vương Tân Nhiên và Khâu Hạo từ Đại học Nam Kinh, phối hợp với Phòng thí nghiệm Quốc gia Tô Châu và Huawei, đã hoàn thiện toàn bộ quy trình thiết kế - công nghệ - sản xuất chip bán dẫn hai chiều tương thích với dây chuyền Fab, thành công phát triển vi xử lý song song nhiều bit đầu tiên trên thế giới sử dụng disulfide molypden (MoS2) mang tên “Meng Qi (MAGIC)-1000”, đạt mật độ tích hợp transistor cao nhất từng ghi nhận trong các mạch số phi silic mới nổi, đánh dấu sự chuyển mình của nghiên cứu bán dẫn hai chiều tại Trung Quốc sang giai đoạn mới với sự hội nhập vào dây chuyền sản xuất. Dựa trên tối ưu hóa phối hợp đa cấp, nhóm đã tích hợp 1.433 transistor MoS2 trong diện tích chip siêu nhỏ dưới quy trình công nghiệp 0,5μm, tạo ra vi xử lý “Meng Qi-1000”. Chip này sử dụng bộ lệnh RISC, bao gồm bốn module chính: bộ giải mã lệnh, bộ thanh ghi, đơn vị số học và logic, bộ chọn đa đường. Mật độ tích hợp transistor tăng một cấp độ so với kỷ lục quốc tế trước đó, đạt 9.336 transistor/mm², ngang bằng với các quy trình silic trưởng thành cùng thế hệ. Chip lần đầu tiên thực hiện phép toán song song nhiều bit trên bán dẫn hai chiều, tần số hoạt động tối đa lên tới 43 kHz, đồng thời tích hợp bộ thanh ghi trên chip, loại bỏ độ trễ truy cập và các giới hạn băng thông do lưu trữ ngoài chip gây ra.

Trong lĩnh vực lưu trữ, đặc tính rò rỉ điện cực thấp của bán dẫn hai chiều mang lại giá trị chiến lược độc đáo. Nhóm liên hợp từ Đại học Phù Đan đã phát triển transistor bán dẫn hai chiều có dòng rò thấp nhất từ trước đến nay. Nhóm đã đạt được dòng rò siêu thấp kỷ lục—tương đương với chỉ một electron rò rỉ sau 9,15 giây. Trên cơ sở này, chip bộ nhớ DRAM mới được chế tạo đạt thời gian giữ dữ liệu siêu dài hơn 8.500 giây ở điện áp giữ bằng không, đồng thời đảm bảo khả năng đọc ghi tốc độ cao và lưu trữ dung lượng đa cấp. DRAM hai transistor không tụ (2T0C) được tối ưu hóa đã thực hiện thao tác lưu trữ bán không bay hơi, độ chính xác lưu trữ 5 bit và tốc độ ghi ở mức nanogiây. Yuanji Micro đã đặt DRAM làm hướng phát triển trọng tâm. Đặc tính rò rỉ điện cực thấp của bán dẫn hai chiều có thể giảm đáng kể công suất làm mới, hứa hẹn ứng dụng sớm trong các bối cảnh đầu cuối và tính toán cường độ cao, trong tương lai kết hợp với công nghệ xếp chồng ba chiều để dần tăng dung lượng DRAM. Vào tháng 7 năm 2026, nhóm Châu Bằng - Lưu Xuân Thâm từ Đại học Phù Đan tiếp tục tiến xa hơn, lần đầu tiên quan sát rõ ràng hành vi lưu trữ không bay hơi của một electron đơn lẻ ở nhiệt độ phòng, thành công trong việc chế tạo thiết bị có cửa sổ lưu trữ lượng tử không bay hơi lớn nhất thế giới—chỉ cần bơm một electron duy nhất, cửa sổ lưu trữ đã đạt tới 0,5 volt. Điều này đánh dấu sự đạt tới đỉnh cao tối đa của công nghệ lưu trữ thông tin điện tích: “một electron, một bit”.

Ngoài tính toán và lưu trữ, bán dẫn hai chiều mang lại lợi thế không thể thay thế trong nhiều bối cảnh đặc thù. Là vật liệu SOI cực kỳ tối ưu, bán dẫn hai chiều có lợi thế độc đáo trong các ứng dụng như mạch analog tần số vô tuyến, truyền thông chống bức xạ và giao diện não-máy. Vào tháng 1 năm nay, dựa trên nền tảng vệ tinh “Phù Đan Số 1”, hệ thống truyền thông tần số vô tuyến chống bức xạ bằng bán dẫn hai chiều đã lần đầu tiên được xác minh trên quỹ đạo không gian. Đồng thời, bán dẫn hai chiều có thể được chế tạo thành các thiết bị linh hoạt và trong suốt, hỗ trợ phát triển thiết bị cho các lĩnh vực tiên tiến như cảm biến quang điện và tính toán lượng tử.

Hiện nay, bán dẫn hai chiều đã hoàn toàn vượt ra khỏi phòng thí nghiệm, bước vào giai đoạn phát triển mới với việc xác minh kỹ thuật và sản xuất lô nhỏ. Từ sự đột phá ở cấp độ wafer trong sản xuất vật liệu, đến việc tích hợp toàn bộ dây chuyền sản xuất, và đến việc ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực như tính toán, lưu trữ, từng khâu trong chuỗi giá trị bán dẫn hai chiều trong nước đều đang được đẩy nhanh, bước đầu hình thành chuỗi giá trị hoàn chỉnh bao gồm vật liệu, thiết bị, sản xuất, thiết kế và ứng dụng.

Trên lĩnh vực bán dẫn hai chiều đang nổi lên, cạnh tranh quốc tế đã được triển khai toàn diện. Sự hình thành của chuỗi công nghiệp mới này không chỉ mở ra những khả năng mới cho công nghệ chip trong thời kỳ sau Moore, mà còn tạo ra một chiều cạnh tranh hoàn toàn mới trong bối cảnh tái cấu trúc ngành bán dẫn toàn cầu.

Bài viết này đến từ tài khoản chính thức WeChat “Bán Dẫn Công Nghiệp Tuyến Tỉnh” (ID: ICViews), tác giả: Pengcheng