二维半导体,亦称原子层半导体,是一种核心功能层厚度仅为单原子或少原子层的半导体材料,以过渡金属硫族化物(如二硫化钼)为代表,是后摩尔时代的关键材料之一。当硅基芯片制程逼近物理极限时,传统硅沟道半导体材料已接近其性能天花板。二维半导体(如二硫化钼、二硒化钨、硒化铟等)凭借原子级厚度的天然优势,能够以晶圆级原子平整的结构在短沟道尺度下实现天然强栅控能力,被视为后摩尔时代最具潜力的非硅新材料。
当前,全球范围内的产业共识正在加速形成。台积电、英特尔、三星等国际晶圆制造巨头,以及 IMEC、IRDS等顶尖研究机构均已明确布局二维半导体赛道,研判其将在1nm节点后作为核心组件融入异质集成系统。2026年6月,台积电携手ASML与imec在VLSI研讨会上首次展示了300 mm晶圆上50 nm接触栅极间距的二维n/pFET集成,标志着国际巨头正加速推动二维晶体管从实验室走向产线。在此情况下,国内产业链也已加速全链条布局,从材料制备、设备自研到芯片集成、生态构建均取得突破,二维半导体产业链条正在成型。
01 材料突破与设备自主化:从“能做”到“能产”
二维半导体被视为后硅时代芯片制造的关键材料,但二维半导体材料的规模化、高质量晶圆制备是其走向产业化应用的前提。其中,化学气相沉积(CVD)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)是未来实现二维半导体材料规模化制造的关键技术。
在设备与材料生长领域,南京大学王欣然教授团队与其产业转化平台极钼芯科技协同攻关,形成了“学术创新—设备研制—工艺验证”深度融合的闭环,在晶圆级二维半导体单晶制备领域取得一系列进展。2025年10月,团队依托极钼芯科技自主研发的Oxy-MOCVD 200 ultra设备(核心部件100%国产化),通过创新的衬底工程技术,在国际上率先报道了全球首个6英寸二维过渡金属硫族化合物半导体单晶的量产化制备,可兼容MoS2、WS2、WSe2等多种材料,150毫米晶圆单向畴对齐率超过99%。2026年1月,团队与东南大学王金兰团队合作,开发了全新的氧辅助金属有机化学气相沉积(oxy-MOCVD)技术,突破生长动力学调控瓶颈,既将二硫化钼晶畴平均尺寸从百纳米级提升至数百微米,解决了大面积均匀生长的量产难题,又从根源上抑制了碳污染问题。基于该工艺,极钼芯完成了设备的深度定制升级,可为下游提供即插即用的制程能力,目前技术体系已覆盖二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨等主流二维半导体材料。在此基础上,极钼芯更进一步在全球率先实现8英寸二维半导体单晶量产,产品已进入剑桥大学、复旦大学等顶尖科研机构,并与下游芯片制造企业达成合作,打通了从实验室样品到产线级材料的关键一步。
除了主流n型材料,p型二维半导体的晶圆级制备短板也已补齐。与硅基电子器件类似,晶圆级n型、p型二维半导体单晶是构筑二维CMOS集成电路的基础和前提。迄今为止,科研人员已开发出多种n型二维半导体材料,其中MoS2、WS2等已实现了晶圆级单晶制备;然而兼具高迁移率与优异稳定性的p型二维半导体仍然十分稀缺,实现此类材料的晶圆级单晶生长则更加困难。2026年7月,中国科学院金属研究所团队取得突破,成功制备出大面积高性能p型MoSi2N4单层单晶晶圆。该材料体系由该团队首创,此前仅能制备多晶薄膜,晶界缝隙会大幅降低器件性能,转移加工时也易破损;此次研究通过特殊单晶基底的台阶引导效应,实现了材料定向生长与无缝拼接,彻底补齐了二维CMOS电路长期缺失优质p型材料的核心短板。
在特色材料方向,北京大学彭海琳教授研究团队首次在晶圆级尺度上实现了超薄、均匀铁电薄膜及其异质结构的可控制备,并构筑了工作电压超低(0.8V)、耐久性极高(可循环1.5×1012次以上)的高速铁电晶体管,其综合性能显著超越了现有工业级铪基铁电体系,是目前已知工作电压最小、能耗最低且耐久性最优的铁电晶体管。首次在国际上展示了高性能晶圆级二维铁电材料体系,为开发高能效先进芯片提供了突破性的材料基础与可行技术路径。
02 工程化生态逐步成型,打通从实验室到产线的鸿沟
材料与器件的突破,最终需要落地到标准化制造体系中。
2026年7月9日,由原集微科技建设的8英寸二维半导体工程化示范工艺线在浦东全线贯通,成为国内二维半导体从科研走向产业化的里程碑。该工艺线于2026年1月完成点亮,仅用半年多时间就完成了全流程设备调试与工艺优化,区别于实验室小型试制平台,当前已具备完整的流片与工程化试制能力,搭建起从材料制备到芯片集成的完整工程化链条。在此之前,国内二维半导体研究多集中于高校实验室,器件制备以小批量手工试制为主,与工业标准差距巨大;原集微团队历经十年攻关,打通了晶圆生长、集成工艺、器件建模、电路设计到封装测试的完整制程。
配套的工艺设计工具包(PDK)同步落地,进一步打通了设计与制造的衔接壁垒。原集微发布的基于8英寸中试线的500纳米PDK 0.1版本是二维半导体领域首个兼容主流EDA工具链的工艺IP,包含Pcell、DRC、LVS、PEX等全套工具包,工艺良率大于99.99%,各方面指标突破国际纪录,基本接近硅基同等制程水准,未来可支撑10万管级二维电路的设计与晶圆级制造。
伴随着产线贯通与PDK发布,代工服务与产业生态同步启动。北京大学、清华大学、上海交通大学、南京大学等高校团队已与原集微完成校企研发签约,晶圆代工服务正式向科研端开放;西安先导院、上海二维星科技等企业也达成产业链战略合作,围绕工艺平台共享、成果转化与生态共建展开深度合作。地方产业配套也在同步跟进,上海川沙新镇以原集微中试线为核心载体,吸引产业链上下游企业集聚;上海全市层面已将二维半导体纳入未来产业重点培育方向,从科研攻关、协同创新到生态培育全方位发力,目标形成“研发—中试—量产”的完整产业闭环。值得注意的是,二维半导体产线可复用现有硅基半导体设备的比例约为70%,不会颠覆既有产业体系,反而将在材料、设备、制造、先进封装等环节催生全新的市场增量。
03 从计算到存储的应用版图,应用版图持续拓展
伴随着制造体系的成熟,二维半导体也正从逻辑计算向存储等应用场景扩展延申。
在逻辑计算领域,国内已完成从器件到复杂处理器的跨越。2025年,全球首款基于二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器“无极”发布,采用二硫化钼(MoS2)材料,集成5900个晶体管,厚度仅0.7纳米,单级反相器良率达99.77%,实现了从材料、架构到流片的全链条自主研发,验证了二维材料构建复杂逻辑电路的可行性。该处理器在1kHz时钟频率下可串行实现37种32位RISC-V指令,满足RV32I整型指令集要求。具备单级高增益和关态超低漏电性能,适用于物联网、边缘计算等场景。
2026年,南京大学王欣然、邱浩团队联合苏州国家实验室和华为,进一步打通了Fab产线兼容的二维半导体芯片设计-工艺-制造全流程,成功研制出世界上首颗二硫化钼(MoS2)多位并行微处理器“梦启(MAGIC)-1000”,晶体管集成密度创下新兴非硅数字电路的最高纪录,标志着我国二维半导体研究迈入产线融合的新发展阶段。基于跨层次协同优化,团队在0.5μm工业制程下在超紧凑芯片面积内集成1433个MoS2晶体管,成功研制出“梦启-1000”微处理器。该芯片采用RISC指令集,由指令解码器、寄存器堆、算术逻辑单元、多路选择器四个主要模块构成,集成晶体管密度较原有国际纪录提升1个数量级,达到9336个/mm2,比肩同节点成熟硅基工艺。芯片首次实现二维半导体的多位数据并行运算,最高工作频率可达43kHz,并在二维芯片上集成片上寄存器堆,消除了片外存储带来的访问延迟与带宽瓶颈。
在存储领域,二维半导体的超低漏电特性展现出独特的战略价值。复旦大学联合团队研发出迄今泄漏电流最低的二维半导体晶体管。该团队实现了创纪录的超低泄漏电流——相当于9.15秒仅泄漏一个电子。在此基础上打造的新型DRAM存储芯片,在零保持电压下实现了超过8500秒的超长数据保持时间,同时兼顾高速读写与多容量存储能力。优化的无电容双晶体管DRAM(2T0C)实现了准非易失性存储操作、5位存储精度和纳秒级写入速度。原集微已将DRAM作为重点布局方向。二维半导体的超低漏电特性可大幅降低刷新功耗,有望在端侧及大算力场景中率先落地,未来结合三维堆叠技术逐步提升DRAM容量。2026年7月,复旦大学周鹏-刘春森团队更进一步,首次在室温环境下清晰观测到单电子的非易失性存储行为,成功打造出具有全球最大非易失量子存储窗口的器件——仅需注入单个电子,存储窗口便可达0.5伏特。这标志着电荷信息存储技术达到了“一电子、一比特”的最高顶峰。
除计算与存储外,二维半导体在更多特色场景中具备不可替代的优势。二维半导体作为极致的SOI材料,在射频模拟电路、抗辐照通信、脑机接口等场景中具备独特优势。今年1月,依托“复旦一号”卫星平台,二维半导体抗辐射射频通信系统首次实现了太空在轨验证。同时,二维半导体可制备为柔性、透明器件,能够支撑光电传感、量子计算等前沿领域的器件研发。
04 结语
当前,二维半导体已彻底走出实验室,迈入工程化验证、小批量流片的全新发展阶段。从材料制备的晶圆级突破,到制造产线的工程化贯通,再到计算、存储等多领域的应用落地,国内二维半导体产业链的每一个环节都在加速推进,初步形成了覆盖材料、设备、制造、设计、应用的完整产业链条。
在二维半导体这一新兴赛道上,国际竞争已全面展开。这条新兴产业链的成形,不仅为后摩尔时代的芯片技术提供了新的可能,更在全球半导体产业格局重塑中开辟了一个全新的竞争维度。
本文来自微信公众号 “半导体产业纵横”(ID:ICViews),作者:鹏程
