Los semiconductores bidimensionales (2D), también conocidos como semiconductores de capa atómica, son materiales semiconductores cuyo núcleo funcional tiene un espesor de solo una o pocas capas atómicas, representados por dicalcogenuros de metales de transición (como el disulfuro de molibdeno), y son uno de los materiales clave para la era post-Moore. Cuando los procesos de fabricación de chips basados en silicio se acercan a los límites físicos, los materiales semiconductores de canal de silicio tradicionales están alcanzando su techo de rendimiento. Los semiconductores 2D (como disulfuro de molibdeno, diseleniuro de tungsteno, seleniuro de indio, etc.), aprovechando su ventaja natural de espesor atómico, pueden lograr un control de puerta fuerte de manera natural a escalas de canal corto con una estructura plana a nivel atómico en obleas, siendo considerados el nuevo material no-silicio más prometedor para la era post-Moore.
Actualmente, se está acelerando la formación de un consenso industrial a nivel global. Gigantes internacionales de fabricación de obleas como TSMC, Intel, Samsung, así como instituciones de investigación líderes como IMEC e IRDS, han desplegado claramente estrategias en el campo de los semiconductores 2D, evaluando que se integrarán como componentes centrales en sistemas de integración heterogénea después del nodo de 1nm. En junio de 2026, TSMC, junto con ASML e imec, mostraron por primera vez en el simposio VLSI la integración de FET n/p 2D con un espaciado de puerta de contacto de 50 nm en obleas de 300 mm, marcando cómo los gigantes internacionales están acelerando la transición de los transistores 2D del laboratorio a la línea de producción. En este contexto, la cadena industrial nacional también ha acelerado su despliegue integral, logrando avances desde la preparación de materiales y el desarrollo autónomo de equipos hasta la integración de chips y la construcción del ecosistema, dando forma a la cadena industrial de semiconductores 2D.
01 Avances en Materiales y Autonomía en Equipos: De "Poder Hacer" a "Poder Producir"
Los semiconductores 2D son considerados materiales clave para la fabricación de chips en la era post-silicio, pero la preparación de obleas de semiconductores 2D de alta calidad y a gran escala es un requisito previo para su aplicación industrial. Entre ellos, la deposición química de vapor (CVD) y la deposición química de vapor de organometálicos (MOCVD) son tecnologías clave para lograr la fabricación a escala de materiales semiconductores 2D en el futuro.
En el campo de equipos y crecimiento de materiales, el equipo del profesor Wang Xinran de la Universidad de Nanjing, en colaboración con su plataforma de transferencia tecnológica, Jimoxin Technology, ha llevado a cabo una investigación conjunta, formando un ciclo cerrado de integración profunda de "innovación académica - desarrollo de equipos - validación de procesos", logrando una serie de avances en la preparación de monocristales de semiconductores 2D a nivel de oblea. En octubre de 2025, el equipo, utilizando el equipo Oxy-MOCVD 200 ultra desarrollado de forma autónoma por Jimoxin Technology (con componentes clave 100% nacionales), a través de una innovadora ingeniería de sustrato, reportó por primera vez a nivel mundial la preparación a escala de producción del primer monocristal de semiconductor dicalcogenuro de metal de transición 2D de 6 pulgadas, compatible con múltiples materiales como MoS2, WS2, WSe2, con una tasa de alineación unidireccional de dominio superior al 99% en obleas de 150 mm. En enero de 2026, en colaboración con el equipo del profesor Wang Jinlan de la Universidad del Sureste, desarrollaron una nueva tecnología de deposición química de vapor de organometálicos asistida por oxígeno (oxy-MOCVD), superando el cuello de botella de la regulación de la cinética de crecimiento. Esto no solo aumentó el tamaño promedio de dominio del cristal de disulfuro de molibdeno de cientos de nanómetros a cientos de micrómetros, resolviendo el problema de producción del crecimiento uniforme en grandes áreas, sino que también suprimió el problema de contaminación por carbono desde la raíz. Basándose en este proceso, Jimoxin completó una actualización profunda y personalizada del equipo, pudiendo ofrecer capacidades de proceso plug-and-play para la cadena descendente. Actualmente, el sistema tecnológico cubre materiales semiconductores 2D principales como disulfuro de molibdeno, diseleniuro de molibdeno, disulfuro de tungsteno y diseleniuro de tungsteno. Sobre esta base, Jimoxin dio un paso más al lograr a nivel mundial la producción a escala de monocristales de semiconductores 2D de 8 pulgadas, cuyos productos ya han entrado en instituciones de investigación de primer nivel como la Universidad de Cambridge y la Universidad Fudan, y han establecido colaboraciones con empresas fabricantes de chips aguas abajo, cerrando el paso clave desde muestras de laboratorio hasta materiales a nivel de línea de producción.
Además de los materiales tipo n principales, también se ha subsanado la deficiencia en la preparación a nivel de oblea de semiconductores 2D tipo p. Al igual que los dispositivos electrónicos basados en silicio, los monocristales de semiconductores 2D tipo n y tipo p a nivel de oblea son la base y el requisito previo para construir circuitos integrados CMOS 2D. Hasta la fecha, los investigadores han desarrollado diversos materiales semiconductores 2D tipo n, entre los cuales MoS2, WS2, etc., han logrado preparación de monocristales a nivel de oblea; sin embargo, los semiconductores 2D tipo p que combinan alta movilidad y excelente estabilidad siguen siendo muy escasos, y lograr el crecimiento de monocristales a nivel de oblea de tales materiales es aún más difícil. En julio de 2026, un equipo del Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias logró un avance, preparando con éxito obleas de monocapa monocristalina de MoSi2N4 tipo p de alto rendimiento y gran área. Este sistema de material fue creado por primera vez por este equipo, anteriormente solo se podían preparar películas policristalinas, donde los límites de grano reducían drásticamente el rendimiento del dispositivo y eran propensos a dañarse durante el procesamiento de transferencia; este estudio, mediante el efecto de guía por escalones de un sustrato monocristalino especial, logró el crecimiento orientado y la unión sin costuras del material, subsanando completamente la deficiencia central de la falta de materiales tipo p de calidad para los circuitos CMOS 2D a largo plazo.
En la dirección de materiales especializados, el equipo de investigación del profesor Peng Hailin de la Universidad de Pekín logró por primera vez la preparación controlable de películas ferroeléctricas ultrafinas y uniformes y sus heteroestructuras a escala de oblea, y construyó transistores ferroeléctricos de alta velocidad con voltaje de operación ultrabajo (0.8V) y durabilidad extremadamente alta (capaz de ciclar más de 1.5×10^12 veces), cuyo rendimiento integral supera significativamente los sistemas ferroeléctricos basados en hafnio de nivel industrial existentes, siendo actualmente los transistores ferroeléctricos conocidos con el voltaje de operación más bajo, el menor consumo de energía y la mejor durabilidad. Por primera vez a nivel internacional, se demostró un sistema de materiales ferroeléctricos 2D de alto rendimiento a escala de oblea, proporcionando una base material y una ruta tecnológica factible innovadoras para el desarrollo de chips avanzados de alta eficiencia energética.
02 Formación Gradual de un Ecosistema de Ingeniería, Cerrando la Brecha entre el Laboratorio y la Línea de Producción
Los avances en materiales y dispositivos eventualmente necesitan integrarse en sistemas de fabricación estandarizados.
El 9 de julio de 2026, la línea de proceso de demostración de ingeniería de semiconductores 2D de 8 pulgadas, construida por la antigua Yuanji Micro, se completó en su totalidad en Pudong, convirtiéndose en un hito nacional para la transición de los semiconductores 2D de la investigación a la industrialización. Esta línea de proceso se encendió en enero de 2026, y en poco más de seis meses completó la depuración de equipos y la optimización de procesos de todo el flujo, diferenciándose de las plataformas de prueba pequeñas de laboratorio. Actualmente, ya posee capacidades completas de fabricación (flow) y prueba de ingeniería, estableciendo una cadena de ingeniería completa desde la preparación de materiales hasta la integración de chips. Antes de esto, la investigación nacional en semiconductores 2D se concentraba principalmente en laboratorios universitarios, con la fabricación de dispositivos en lotes pequeños y de forma manual, con una gran brecha respecto a los estándares industriales; el equipo de Yuanji Micro, tras una década de investigación, ha conectado el proceso completo desde el crecimiento de obleas, procesos de integración, modelado de dispositivos, diseño de circuitos hasta pruebas y encapsulado.
El kit de herramientas de diseño de procesos (PDK) complementario también se implementó de manera sincronizada, cerrando aún más las barreras de conexión entre diseño y fabricación. El PDK versión 0.1 de 500 nm basado en la línea piloto de 8 pulgadas, lanzado por Yuanji Micro, es el primer IP de proceso en el campo de los semiconductores 2D compatible con la cadena de herramientas EDA principal, incluyendo un kit completo de herramientas con Pcell, DRC, LVS, PEX, etc., con un rendimiento del proceso superior al 99.99%, rompiendo récords internacionales en varios aspectos y acercándose básicamente al nivel de procesos equivalentes basados en silicio, pudiendo en el futuro respaldar el diseño y fabricación a nivel de oblea de circuitos 2D de hasta 100,000 transistores.
Acompañando la finalización de la línea y el lanzamiento del PDK, los servicios de fundición (foundry) y el ecosistema industrial también se pusieron en marcha de manera sincronizada. Equipos de universidades como la Universidad de Pekín, la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Shanghai Jiao Tong y la Universidad de Nanjing han completado acuerdos de investigación universidad-empresa con Yuanji Micro, y los servicios de fundición de obleas se han abierto oficialmente al sector de investigación; empresas como el Instituto Líder de Xi'an y Shanghai Erwei Xing Technology también han establecido colaboraciones estratégicas en la cadena industrial, profundizando la cooperación en torno al intercambio de plataformas de procesos, transferencia de resultados y construcción del ecosistema. El apoyo industrial local también avanza de manera sincronizada; el pueblo de Chuansha en Shanghai, teniendo como núcleo la línea piloto de Yuanji Micro, atrae la aglomeración de empresas de la cadena industrial aguas arriba y aguas abajo; a nivel de toda la ciudad de Shanghai, los semiconductores 2D se han incorporado como una dirección clave de cultivo para las industrias futuras, esforzándose de manera integral desde la investigación científica, la innovación colaborativa hasta el cultivo del ecosistema, con el objetivo de formar un ciclo industrial completo de "I+D - Prueba Piloto - Producción en Masa". Es notable que aproximadamente el 70% del equipo de la línea de semiconductores 2D puede reutilizar equipos de semiconductores basados en silicio existentes, no revolucionando el sistema industrial existente, sino generando, por el contrario, un nuevo mercado incremental en eslabones como materiales, equipos, fabricación y empaquetado avanzado.
03 Del Cálculo al Almacenamiento: El Mapa de Aplicaciones se Expande Continuamente
A medida que madura el sistema de fabricación, los semiconductores 2D también se están expandiendo desde la lógica de cálculo hacia escenarios de aplicación como el almacenamiento.
En el campo de la lógica de cálculo, a nivel nacional se ha completado el salto desde dispositivos hasta procesadores complejos. En 2025, se lanzó el primer microprocesador del mundo basado en materiales semiconductores 2D de arquitectura RISC-V de 32 bits, "Wuji", que utiliza material de disulfuro de molibdeno (MoS2), integra 5900 transistores, tiene un espesor de solo 0.7 nanómetros, un rendimiento del inversor de una etapa del 99.77%, logrando el desarrollo autónomo de toda la cadena desde materiales, arquitectura hasta fabricación (flow), validando la viabilidad de construir circuitos lógicos complejos con materiales 2D. Este procesador puede implementar en serie 37 tipos de instrucciones RISC-V de 32 bits a una frecuencia de reloj de 1 kHz, cumpliendo con los requisitos del conjunto de instrucciones enteras RV32I. Posee un alto ganancia por etapa y un rendimiento de fuga ultrabajo en estado apagado, siendo adecuado para escenarios como Internet de las Cosas (IoT) y computación periférica (edge computing).
En 2026, los equipos del profesor Wang Xinran y Qiu Hao de la Universidad de Nanjing, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Suzhou y Huawei, conectaron aún más el flujo completo de diseño-proceso-fabricación de chips semiconductores 2D compatible con líneas Fab, desarrollando con éxito el primer microprocesador de cálculo paralelo multibit del mundo basado en disulfuro de molibdeno (MoS2), "Mengqi (MAGIC)-1000", estableciendo un récord en densidad de integración de transistores para circuitos digitales emergentes no basados en silicio, marcando una nueva etapa de desarrollo en la investigación nacional de semiconductores 2D fusionada con líneas de producción. Basándose en una optimización colaborativa multinivel, el equipo, bajo un proceso industrial de 0.5 μm, integró 1433 transistores de MoS2 en un área de chip ultracompacta, desarrollando con éxito el microprocesador "Mengqi-1000". Este chip utiliza un conjunto de instrucciones RISC, compuesto por cuatro módulos principales: decodificador de instrucciones, banco de registros, unidad lógica aritmética y multiplexor. La densidad de transistores integrados aumentó un orden de magnitud respecto al récord internacional anterior, alcanzando 9336/mm2, comparable a procesos de silicio maduros en el mismo nodo. El chip logró por primera vez el cálculo paralelo de datos multibit con semiconductores 2D, con una frecuencia de operación máxima de hasta 43 kHz, e integró un banco de registros en el chip (on-chip) en el chip 2D, eliminando los cuellos de botella de latencia de acceso y ancho de banda causados por el almacenamiento externo.
En el campo del almacenamiento, las características de fuga ultrabaja de los semiconductores 2D muestran un valor estratégico único. Un equipo conjunto de la Universidad Fudan desarrolló el transistor de semiconductor 2D con la corriente de fuga más baja hasta la fecha. El equipo logró una corriente de fuga récord ultrabaja —equivalente a la fuga de un solo electrón en 9.15 segundos. Sobre esta base, crearon un nuevo chip de memoria DRAM, logrando un tiempo de retención de datos ultralargo de más de 8500 segundos bajo voltaje de retención cero, al tiempo que equilibraban la capacidad de lectura/escritura de alta velocidad y el almacenamiento multicapacidad. Una DRAM de doble transistor sin capacitor optimizada (2T0C) logró operaciones de almacenamiento casi no volátil, precisión de almacenamiento de 5 bits y velocidad de escritura a nivel nanosegundo. Yuanji Micro ha posicionado la DRAM como una dirección de enfoque clave. Las características de fuga ultrabaja de los semiconductores 2D pueden reducir drásticamente el consumo de energía de refresco, con potencial para implementarse primero en escenarios periféricos (edge) y de gran capacidad de cómputo, y en el futuro, combinarse con tecnología de apilamiento tridimensional para aumentar gradualmente la capacidad de DRAM. En julio de 2026, el equipo de Zhou Peng-Liu Chunsen de la Universidad Fudan fue aún más lejos, observando por primera vez de manera clara el comportamiento de almacenamiento no volátil de un solo electrón a temperatura ambiente, creando con éxito un dispositivo con la ventana de almacenamiento cuántico no volátil más grande del mundo —solo se necesita inyectar un solo electrón para que la ventana de almacenamiento alcance 0.5 voltios. Esto marca que la tecnología de almacenamiento de información de carga ha alcanzado el nivel más alto de "un electrón, un bit".
Además del cálculo y el almacenamiento, los semiconductores 2D poseen ventajas irreemplazables en más escenarios especializados. Los semiconductores 2D, como materiales SOI extremos, poseen ventajas únicas en escenarios como circuitos de radiofrecuencia (RF) analógicos, comunicaciones resistentes a radiación e interfaces cerebro-máquina. En enero de este año, aprovechando la plataforma satelital "Fudan-1", el sistema de comunicación por RF con semiconductores 2D resistente a radiación logró por primera vez la validación en órbita en el espacio. Al mismo tiempo, los semiconductores 2D pueden prepararse como dispositivos flexibles y transparentes, pudiendo respaldar la investigación y desarrollo de dispositivos en campos de vanguardia como sensores optoelectrónicos y computación cuántica.
04 Conclusión
Actualmente, los semiconductores 2D han salido completamente del laboratorio, entrando en una nueva etapa de desarrollo de validación de ingeniería y fabricación en pequeños lotes. Desde los avances a nivel de oblea en la preparación de materiales, hasta la conexión de ingeniería de las líneas de fabricación, y la implementación de aplicaciones en múltiples áreas como cálculo y almacenamiento, cada eslabón de la cadena industrial nacional de semiconductores 2D se está acelerando, formando preliminarmente una cadena industrial completa que cubre materiales, equipos, fabricación, diseño y aplicaciones.
En esta nueva pista de los semiconductores 2D, la competencia internacional se ha desplegado por completo. La formación de esta nueva cadena industrial no solo proporciona nuevas posibilidades para la tecnología de chips en la era post-Moore, sino que también abre una nueva dimensión de competencia en la remodelación del panorama industrial global de semiconductores.
Este artículo proviene del WeChat público "Vistas de la Industria de Semiconductores" (ID: ICViews), autor: Peng Cheng
