中國的 2D 半導體產業鏈正迅速成形

二維半導體，亦稱原子層半導體，是一種核心功能層厚度僅為單原子或少原子層的半導體材料，以過渡金屬硫族化物（如二硫化鉬）為代表，是後摩爾時代的關鍵材料之一。當矽基晶片製程逼近物理極限時，傳統矽通道半導體材料已接近其性能天花板。二維半導體（如二硫化鉬、二硒化鎢、硒化銦等）憑藉原子級厚度的天然優勢，能夠以晶圓級原子平整的結構在短通道尺度下實現天然強柵控能力，被視為後摩爾時代最具潛力的非矽新材料。

目前，全球產業共識正在加速形成。台積電、英特爾、三星等國際晶圓製造巨頭，以及 IMEC、IRDS 等頂尖研究機構均已明確佈局二維半導體賽道，研判其將在 1nm 節點後作為核心組件融入異質集成系統。2026 年 6 月，台積電攜手 ASML 與 imec 在 VLSI 研討會上首次展示了 300 mm 晶圓上 50 nm 接觸柵極間距的二維 n/pFET 集成，標誌著國際巨頭正加速推動二維晶體管從實驗室走向產線。在此情況下，國內產業鏈也已加速全鏈條佈局，從材料製備、設備自研到晶片集成、生態構建均取得突破，二維半導體產業鏈條正在成型。

二維半導體被視為後矽時代晶片製造的關鍵材料，但二維半導體材料的規模化、高品質晶圓製備是其走向產業化應用的前提。其中，化學氣相沉積（CVD）和金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）是未來實現二維半導體材料規模化製造的關鍵技術。

在設備與材料生長領域，南京大學王欣然教授團隊與其產業轉化平台極鈮芯科技協同攻關，形成了「學術創新—設備研製—工藝驗證」深度融合的閉環，在晶圓級二維半導體單晶製備領域取得一系列進展。2025年10月，團隊依托極鈮芯科技自主研發的Oxy-MOCVD 200 ultra設備（核心部件100%國產化），通過創新的襯底工程技術，在國際上率先報導了全球首個6英寸二維過渡金屬硫族化合物半導體單晶的量產化製備，可兼容MoS₂、WS₂、WSe₂等多種材料，150毫米晶圓單向域對齊率超過99%。2026年1月，團隊與東南大學王金蘭團隊合作，開發了全新的氧輔助金屬有機化學氣相沉積（oxy-MOCVD）技術，突破生長動力學調控瓶頸，既將二硫化鉬晶域平均尺寸從百納米級提升至數百微米，解決了大面積均勻生長的量產難題，又從根源上抑制了碳污染問題。基於該工藝，極鈮芯完成了設備的深度定製升級，可為下游提供即插即用的製程能力，目前技術體系已覆蓋二硫化鉬、二硒化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢等主流二維半導體材料。在此基礎上，極鈮芯更進一步在全球率先實現8英寸二維半導體單晶量產，產品已進入劍橋大學、復旦大學等頂尖科研機構，並與下游晶片製造企業達成合作，打通了從實驗室樣品到產線級材料的關鍵一步。

除了主流的 n 型材料外，p 型二維半導體的晶圓級製備短板也已補齊。與矽基電子器件類似，晶圓級 n 型和 p 型二維半導體單晶是構建二維 CMOS 集成電路的基礎和前提。迄今為止，科研人員已開發出多種 n 型二維半導體材料，其中 MoS₂、WS₂ 等已實現晶圓級單晶製備；然而，兼具高遷移率與優異穩定性的 p 型二維半導體仍然十分稀缺，實現此類材料的晶圓級單晶生長則更加困難。2026 年 7 月，中國科學院金屬研究所團隊取得突破，成功製備出大面積高性能 p 型 MoSi₂N₄ 單層單晶晶圓。該材料體系由該團隊首創，此前僅能製備多晶薄膜，晶界縫隙會大幅降低器件性能，轉移加工時也易破損；此次研究通過特殊單晶基底的台階引導效應，實現了材料定向生長與無縫拼接，徹底補齊了二維 CMOS 電路長期缺失優質 p 型材料的核心短板。

在特色材料方向，北京大學彭海琳教授研究團隊首次在晶圓級尺度上實現了超薄、均勻鐵電薄膜及其異質結構的可控制備，並構築了工作電壓超低（0.8 V）、耐久性極高（可循環 1.5×10¹² 次以上）的高速鐵電晶體管，其綜合性能顯著超越了現有工業級鉿基鐵電體系，是目前已知工作電壓最小、能耗最低且耐久性最優的鐵電晶體管。首次在國際上展示了高性能晶圓級二維鐵電材料體系，為開發高能效先進晶片提供了突破性的材料基礎與可行技術路徑。

材料與器件的突破，最終需要落實到標準化製造體系中。

2026年7月9日，由原集微科技建設的8英寸二維半導體工程化示範工藝線在浦東全線貫通，成為國內二維半導體從科研走向產業化的里程碑。該工藝線於2026年1月完成點亮，僅用半年多時間就完成了全流程設備調試與工藝優化，區別於實驗室小型試製平台，當前已具備完整的流片與工程化試製能力，搭建起從材料製備到晶片集成的完整工程化鏈條。在此之前，國內二維半導體研究多集中於高校實驗室，器件製備以小批量手工試製為主，與工業標準差距巨大；原集微團隊歷經十年攻關，打通了晶圓生長、集成工藝、器件建模、電路設計到封裝測試的完整製程。

配套的工藝設計工具包（PDK）同步落地，進一步打通了設計與製造的銜接壁壘。原集微發布的基於8英寸中試線的500納米PDK 0.1版本，是二維半導體領域首個兼容主流EDA工具鏈的工藝IP，包含Pcell、DRC、LVS、PEX等全套工具包，工藝良率大於99.99%，各項指標突破國際紀錄，基本接近矽基同等製程水準，未來可支援10萬管級二維電路的設計與晶圓級製造。

伴隨產線貫通與 PDK 發布，代工服務與產業生態同步啟動。北京大學、清華大學、上海交通大學、南京大學等高校團隊已與原集微完成校企研發簽約，晶圓代工服務正式向科研端開放；西安先導院、上海二維星科技等企業也達成產業鏈戰略合作，圍繞工藝平台共享、成果轉化與生態共建展開深度合作。地方產業配套亦同步跟進，上海川沙新鎮以原集微中試線為核心載體，吸引產業鏈上下游企業集聚；上海市層面已將二維半導體納入未來產業重點培育方向，從科研攻關、協同創新到生態培育全方位發力，目標形成「研發—中試—量產」的完整產業閉環。值得注意的是，二維半導體產線可複用現有矽基半導體設備的比例約為 70%，不會顛覆既有產業體系，反而將在材料、設備、製造、先進封裝等環節催生全新的市場增量。

隨著製造體系的成熟，二維半導體也正從邏輯計算向存儲等應用場景擴展延伸。

在邏輯計算領域，國內已實現從器件到複雜處理器的跨越。2025年，全球首款基於二維半導體材料的 32 位 RISC-V 架構微處理器「無極」發布，採用二硫化鉬（MoS2）材料，集成 5900 個晶體管，厚度僅 0.7 納米，單級反相器良率達 99.77%，實現了從材料、架構到流片的全鏈條自主研發，驗證了二維材料構建複雜邏輯電路的可行性。該處理器在 1 kHz 時鐘頻率下可串行實現 37 種 32 位 RISC-V 指令，滿足 RV32I 整型指令集要求。具備單級高增益和關態超低漏電性能，適用於物聯網、邊緣計算等場景。

2026年，南京大學王欣然、邱浩團隊聯合蘇州國家實驗室和華為，進一步打通了與Fab產線兼容的二維半導體晶片設計－工藝－製造全流程，成功研製出世界上首顆二硫化鉬（MoS2）多位並行微處理器「夢啟（MAGIC）-1000」，電晶體整合密度創下新興非矽數位電路的最高紀錄，標誌著我國二維半導體研究邁入產線融合的新發展階段。基於跨層次協同優化，團隊在0.5μm工業製程下，在超緊湊晶片面積內整合1433個MoS2電晶體，成功研製出「夢啟-1000」微處理器。該晶片採用RISC指令集，由指令解碼器、寄存器堆、算術邏輯單元、多路選擇器四個主要模組構成，整合電晶體密度較原有國際紀錄提升1個數量級，達到9336個/mm²，與同節點成熟矽基工藝比肩。晶片首次實現二維半導體的多位資料並行運算，最高工作頻率可達43kHz，並在二維晶片上整合片上寄存器堆，消除片外存儲帶來的訪問延遲與頻寬瓶頸。

在存儲領域，二維半導體的超低漏電特性展現出獨特的戰略價值。復旦大學聯合團隊研發出迄今泄漏電流最低的二維半導體晶體管。該團隊實現了創紀錄的超低泄漏電流——相當於9.15秒僅泄漏一個電子。在此基礎上打造的新型DRAM存儲芯片，在零保持電壓下實現了超過8500秒的超長數據保持時間，同時兼顧高速讀寫與多容量存儲能力。優化的無電容雙晶體管DRAM（2T0C）實現了準非易失性存儲操作、5位存儲精度和納秒級寫入速度。原集微已將DRAM作為重點布局方向。二維半導體的超低漏電特性可大幅降低刷新功耗，有望在端側及大算力場景中率先落地，未來結合三維堆疊技術逐步提升DRAM容量。2026年7月，復旦大學周鵬-劉春森團隊更進一步，首次在室溫環境下清晰觀測到單電子的非易失性存儲行為，成功打造出具有全球最大非易失量子存儲窗口的器件——僅需注入單個電子，存儲窗口便可達0.5伏特。這標誌著電荷信息存儲技術達到了「一電子、一比特」的最高頂峰。

除了計算與存儲之外，二維半導體在更多特色場景中具備不可替代的優勢。作為極致的SOI材料，二維半導體在射頻模擬電路、抗輻射通信、腦機接口等場景中具有獨特優勢。今年1月，基於「復旦一號」衛星平台，二維半導體抗輻射射頻通信系統首次實現了太空在軌驗證。同時，二維半導體可製備為柔性、透明器件，能夠支撐光電傳感、量子計算等前沿領域的器件研發。

目前，二維半導體已徹底走出實驗室，邁入工程化驗證、小批量流片的全新發展階段。從材料製備的晶圓級突破，到製造產線的工程化貫通，再到計算、存儲等多領域的應用落地，國內二維半導體產業鏈的每一個環節都在加速推進，初步形成了覆蓋材料、設備、製造、設計、應用的完整產業鏈條。

在二維半導體這一新興賽道上，國際競爭已全面展開。這條新興產業鏈的形成，不僅為後摩爾時代的晶片技術提供了新的可能，更在全球半導體產業格局重塑中開闢了一個全新的競爭維度。

本文來自微信公眾號 “半導體產業縱橫”（ID：ICViews），作者：鵬程