Les semi-conducteurs 2D, également appelés semi-conducteurs à couches atomiques, sont des matériaux semi-conducteurs dont la couche fonctionnelle principale n'a qu'une épaisseur d'un atome ou de quelques atomes. Représentés par des composés chalcogénures de métaux de transition (comme le disulfure de molybdène), ils constituent l'un des matériaux clés de l'ère post-Moore. Alors que la gravure des puces au silicium approche ses limites physiques, les matériaux semi-conducteurs traditionnels à canal de silicium atteignent presque leurs limites de performance. Grâce à leur avantage naturel d'épaisseur atomique, les semi-conducteurs 2D (comme le disulfure de molybdène, le disélénure de tungstène, le séléniure d'indium, etc.) sont capables d'offrir un contrôle de grille naturellement puissant à des échelles de canaux courts grâce à leur structure planaire au niveau atomique compatible avec les wafers. Ils sont considérés comme les nouveaux matériaux non-silicium les plus prometteurs de l'ère post-Moore.
Actuellement, un consensus industriel mondial est en train de s'accélérer. Les géants internationaux de la fabrication de wafers comme TSMC, Intel, Samsung, ainsi que des instituts de recherche de premier plan comme l'IMEC et l'IRDS, ont clairement investi la piste des semi-conducteurs 2D, estimant qu'ils s'intégreront comme composants centraux dans les systèmes d'intégration hétérogène après le nœud 1 nm. En juin 2026, TSMC, en collaboration avec ASML et l'imec, a présenté pour la première fois lors du symposium VLSI l'intégration de n/pFET 2D avec un espacement de grille de contact de 50 nm sur des wafers de 300 mm, marquant l'accélération par les géants internationaux de la transition des transistors 2D du laboratoire vers la ligne de production. Dans ce contexte, la chaîne d'approvisionnement nationale a également accéléré son déploiement complet, avec des percées allant de la préparation des matériaux et du développement autonome des équipements à l'intégration des puces et à la construction de l'écosystème ; la chaîne industrielle des semi-conducteurs 2D est en train de prendre forme.
01 Percée matérielle et autonomisation des équipements : de « pouvoir fabriquer » à « pouvoir produire »
Considérés comme des matériaux clés pour la fabrication de puces dans l'ère post-silicium, la production à l'échelle du wafer de matériaux semi-conducteurs 2D, de manière uniforme et de haute qualité, est une condition préalable à leur industrialisation. Parmi les technologies, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt chimique en phase vapeur d'organométalliques (MOCVD) sont les technologies clés pour la fabrication à grande échelle des matériaux semi-conducteurs 2D à l'avenir.
Dans le domaine des équipements et de la croissance des matériaux, l'équipe du professeur Wang Xinran de l'Université de Nanjing, en collaboration avec sa plateforme de transfert technologique industrielle JimoXin Technology, a mené des recherches conjointes, formant une boucle fermée intégrant « innovation académique - développement d'équipements - validation des procédés », et a réalisé une série de progrès dans la préparation de monocristaux de semi-conducteurs 2D à l'échelle du wafer. En octobre 2025, s'appuyant sur l'équipement Oxy-MOCVD 200 ultra développé de manière autonome par JimoXin Technology (avec 100 % de composants clés nationaux), l'équipe a rapporté pour la première fois au monde la préparation à l'échelle de la production du premier monocristal de semi-conducteur 2D à base de chalcogénures de métaux de transition sur wafer de 6 pouces, grâce à une innovation en ingénierie du substrat. Ce procédé est compatible avec divers matériaux tels que MoS2, WS2, WSe2, avec un taux d'alignement unidirectionnel des domaines sur wafer de 150 mm dépassant 99 %. En janvier 2026, en collaboration avec l'équipe du professeur Wang Jinlan de l'Université du Sud-Est, l'équipe a développé une nouvelle technologie de dépôt chimique en phase vapeur d'organométalliques assisté par oxygène (oxy-MOCVD), surmontant les goulots d'étranglement du contrôle de la cinétique de croissance. Cela a permis d'augmenter la taille moyenne des domaines cristallins de MoS2 de l'ordre de la centaine de nanomètres à plusieurs centaines de micromètres, résolvant ainsi le problème de la production à grande échelle avec une croissance uniforme, tout en supprimant à la source le problème de la contamination par le carbone. Basé sur ce procédé, JimoXin a achevé une mise à niveau approfondie et personnalisée de l'équipement, offrant une capacité de procédé prête à l'emploi pour les étapes en aval. Le système technologique couvre désormais les principaux matériaux semi-conducteurs 2D comme MoS2, MoSe2, WS2, WSe2. Sur cette base, JimoXin est allé plus loin en réalisant en pionnier mondial la production à grande échelle de monocristaux 2D sur wafer de 8 pouces. Les produits sont déjà entrés dans des institutions de recherche de premier plan comme l'Université de Cambridge et l'Université Fudan, et des collaborations ont été établies avec des entreprises de fabrication de puces en aval, franchissant ainsi une étape clé allant des échantillons de laboratoire aux matériaux de niveau production.
Outre les matériaux n-type principaux, la lacune de la préparation à l'échelle du wafer des semi-conducteurs 2D de type p a également été comblée. Comme pour les dispositifs électroniques au silicium, les monocristaux de semi-conducteurs 2D de type n et p à l'échelle du wafer sont la base et la condition préalable pour construire des circuits intégrés CMOS 2D. À ce jour, les chercheurs ont développé divers matériaux semi-conducteurs 2D de type n, parmi lesquels MoS2 et WS2 ont atteint une préparation monocristalline à l'échelle du wafer ; cependant, les semi-conducteurs 2D de type p alliant une mobilité élevée et une stabilité exceptionnelle restent rares, et la croissance monocristalline à l'échelle du wafer de tels matériaux est encore plus difficile. En juillet 2026, une équipe de l'Institut de recherche sur les métaux de l'Académie chinoise des sciences a réalisé une percée, réussissant à préparer des wafers monocristallins de grande surface et hautes performances à base de MoSi2N4 monocouche de type p. Ce système de matériau, créé par cette équipe, ne pouvait auparavant être préparé que sous forme de films polycristallins, où les joints de grains réduisaient considérablement les performances des dispositifs et rendaient les matériaux fragiles lors du transfert et du traitement ; cette recherche, grâce à l'effet de guidage par les marches d'un substrat monocristallin spécial, a permis une croissance orientée et un assemblage sans couture du matériau, comblant ainsi complètement la lacune centrale du manque de matériaux de type p de qualité pour les circuits CMOS 2D.
Dans la direction des matériaux spéciaux, l'équipe de recherche du professeur Peng Hailin de l'Université de Pékin a réalisé pour la première fois une préparation contrôlée de films ferroélectriques ultra-minces et uniformes et de leurs hétérostructures à l'échelle du wafer, et a construit des transistors ferroélectriques rapides avec une tension de fonctionnement ultra-basse (0,8 V) et une endurance extrêmement élevée (plus de 1,5×10^12 cycles). Leurs performances globales dépassent significativement les systèmes ferroélectriques industriels existants à base d'hafnium, constituant actuellement les transistors ferroélectriques connus avec la tension de fonctionnement la plus basse, la consommation d'énergie la plus faible et l'endurance optimale. C'est la première démonstration internationale d'un système de matériau ferroélectrique 2D haute performance à l'échelle du wafer, offrant une base matérielle et une voie technologique réalisable pour le développement de puces avancées à haute efficacité énergétique.
02 Un écosystème d'ingénierie se forme progressivement, comblant le fossé entre le laboratoire et la ligne de production
Les percées en matière de matériaux et de dispositifs doivent finalement être intégrées dans un système de fabrication standardisé.
Le 9 juillet 2026, la ligne de démonstration technologique pour semi-conducteurs 2D sur wafer de 8 pouces, construite par l'entreprise Yuanji Micro, a été entièrement opérationnelle à Pudong, constituant une étape importante pour la transition des semi-conducteurs 2D de la recherche à l'industrialisation en Chine. Cette ligne technologique a été activée en janvier 2026, et en un peu plus de six mois, le réglage complet des équipements et l'optimisation des procédés ont été achevés. Contrairement aux petites plates-formes d'essai en laboratoire, elle possède désormais une capacité complète de fabrication de wafers et d'essais d'ingénierie, établissant une chaîne d'ingénierie complète allant de la préparation des matériaux à l'intégration des puces. Auparavant, la recherche sur les semi-conducteurs 2D en Chine se concentrait principalement dans les laboratoires universitaires, avec une fabrication de dispositifs basée sur des essais manuels en petits lots, très éloignés des standards industriels ; l'équipe de Yuanji Micro, après dix ans de recherche, a maîtrisé le processus complet allant de la croissance des wafers, aux procédés d'intégration, à la modélisation des dispositifs, à la conception des circuits et aux tests d'encapsulation.
Le kit d'outils de conception de procédé (PDK) correspondant a été déployé simultanément, comblant davantage les barrières de connexion entre la conception et la fabrication. La version 0.1 du PDK à 500 nm basée sur la ligne pilote de 8 pouces publiée par Yuanji Micro est le premier kit d'outils de propriété intellectuelle de procédé (IP) pour les semi-conducteurs 2D compatible avec la chaîne d'outils EDA grand public. Il comprend un ensemble complet d'outils (Pcell, DRC, LVS, PEX, etc.), avec un rendement de procédé supérieur à 99,99 %, dépassant les records internationaux dans divers indicateurs et approchant essentiellement le niveau des procédés silicium équivalents. À l'avenir, il pourra supporter la conception et la fabrication au niveau du wafer de circuits 2D intégrant jusqu'à 100 000 transistors.
Parallèlement à la mise en service de la ligne de production et à la publication du PDK, les services de fonderie et l'écosystème industriel ont également été lancés. Des équipes universitaires de l'Université de Pékin, de l'Université Tsinghua, de l'Université Jiao Tong de Shanghai, de l'Université de Nanjing, entre autres, ont signé des accords de R&D avec Yuanji Micro, et les services de fonderie de wafers sont désormais ouverts au secteur de la recherche ; des entreprises comme Xi'an XianDaoYuan et Shanghai 2D Star Technology ont également établi des partenariats stratégiques dans la chaîne d'approvisionnement, collaborant en profondeur autour du partage de la plateforme technologique, du transfert de technologie et de la construction de l'écosystème. Les infrastructures industrielles locales suivent également : la nouvelle ville de Chuansha à Shanghai, prenant la ligne pilote de Yuanji Micro comme noyau, attire des entreprises en amont et en aval de la chaîne d'approvisionnement ; au niveau municipal de Shanghai, les semi-conducteurs 2D ont été intégrés comme orientation clé pour le développement des industries futures, avec un effort global allant de la recherche scientifique et de l'innovation collaborative au développement de l'écosystème, visant à former une boucle industrielle complète « R&D - pilote - production de masse ». Il est à noter qu'environ 70 % des équipements de la ligne de production de semi-conducteurs 2D peuvent être réutilisés à partir des équipements semi-conducteurs au silicium existants, ce qui ne bouleverse pas le système industriel existant, mais crée plutôt de nouveaux marchés et opportunités dans les segments des matériaux, des équipements, de la fabrication et des emballages avancés.
03 Du calcul au stockage : la carte des applications continue de s'étendre
Avec la maturation du système de fabrication, les semi-conducteurs 2D s'étendent également du calcul logique à des scénarios d'application comme le stockage.
Dans le domaine du calcul logique, la Chine a réalisé le saut des dispositifs aux processeurs complexes. En 2025, le premier microprocesseur au monde basé sur des matériaux semi-conducteurs 2D, nommé "Wuji" et utilisant l'architecture RISC-V 32 bits, a été lancé. Utilisant du disulfure de molybdène (MoS2), il intègre 5900 transistors, avec une épaisseur de seulement 0,7 nm, un rendement de l'inverseur à un étage de 99,77 %, et représente une chaîne complète de développement autonome allant du matériau à l'architecture et à la fabrication, validant la faisabilité de construire des circuits logiques complexes avec des matériaux 2D. Ce processeur peut exécuter en série 37 instructions RISC-V 32 bits à une fréquence d'horloge de 1 kHz, satisfaisant aux exigences du jeu d'instructions d'entiers RV32I. Il présente des performances de gain élevé par étage et de très faible fuite à l'état bloqué, adaptées à des scénarios comme l'Internet des objets et le calcul en périphérie.
En 2026, les équipes des professeurs Wang Xinran et Qiu Hao de l'Université de Nanjing, en collaboration avec le Laboratoire national de Suzhou et Huawei, ont poussé plus loin en maîtrisant le processus complet, compatible avec les lignes de production Fab, de conception-procédé-fabrication de puces semi-conductrices 2D. Ils ont réussi à développer le premier microprocesseur parallèle multi-bits au monde basé sur du disulfure de molybdène (MoS2), nommé "Mengqi (MAGIC)-1000", établissant un record de densité d'intégration de transistors pour les circuits numériques non-silicium émergents. Cela marque l'entrée de la recherche chinoise sur les semi-conducteurs 2D dans une nouvelle phase de développement intégrant la ligne de production. Grâce à une optimisation collaborative multi-niveaux, l'équipe a intégré 1433 transistors MoS2 sur une puce ultra-compacte utilisant un procédé industriel de 0,5 µm, développant avec succès le microprocesseur "Mengqi-1000". Cette puce utilise un jeu d'instructions RISC, composée de quatre modules principaux : décodeur d'instructions, banc de registres, unité arithmétique et logique, et multiplexeur. La densité d'intégration des transistors a augmenté d'un ordre de grandeur par rapport au record international précédent, atteignant 9336 transistors/mm², comparable au procédé silicium mature au même nœud. La puce réalise pour la première fois des opérations arithmétiques parallèles multi-bits avec des semi-conducteurs 2D, avec une fréquence de fonctionnement maximale pouvant atteindre 43 kHz, et intègre un banc de registres sur puce, éliminant ainsi les latences d'accès et les goulots d'étranglement de bande passante liés à la mémoire externe.
Dans le domaine du stockage, les caractéristiques de fuite extrêmement faible des semi-conducteurs 2D présentent une valeur stratégique unique. Une équipe conjointe de l'Université Fudan a développé le transistor à semi-conducteur 2D ayant le courant de fuite le plus faible à ce jour. L'équipe a réalisé un courant de fuite record ultra-bas — équivalent à la fuite d'un seul électron en 9,15 secondes. Sur cette base, une nouvelle puce mémoire DRAM a été créée, atteignant un temps de rétention des données exceptionnellement long de plus de 8500 secondes sans tension de maintien, tout en offrant des vitesses de lecture/écriture rapides et une capacité de stockage multi-niveaux. Une DRAM optimisée sans condensateur à deux transistors (2T0C) a permis une opération de stockage quasi non volatile, une précision de stockage sur 5 bits et des vitesses d'écriture de l'ordre de la nanoseconde. Yuanji Micro a positionné la DRAM comme une orientation stratégique clé. Les caractéristiques de fuite ultra-faible des semi-conducteurs 2D peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie liée au rafraîchissement, avec un potentiel de déploiement initial dans des scénarios de périphérie et de calcul haute performance, et une augmentation progressive de la capacité de la DRAM grâce aux technologies d'empilement 3D à l'avenir. En juillet 2026, l'équipe des professeurs Zhou Peng et Liu Chunsen de l'Université Fudan est allée encore plus loin, observant pour la première fois clairement à température ambiante un comportement de stockage non volatil d'un seul électron, créant avec succès un dispositif présentant la plus grande fenêtre de mémoire quantique non volatile au monde — il suffit d'injecter un seul électron pour obtenir une fenêtre de stockage de 0,5 volt. Cela marque le sommet de la technologie de stockage d'informations par charge, atteignant le niveau ultime de « un électron, un bit ».
Outre le calcul et le stockage, les semi-conducteurs 2D présentent des avantages irremplaçables dans davantage de scénarios spécialisés. En tant que matériau SOI ultime, les semi-conducteurs 2D offrent des avantages uniques pour les circuits radiofréquences analogiques, les communications anti-radiations, les interfaces cerveau-machine, etc. En janvier de cette année, s'appuyant sur la plateforme satellitaire "Fudan-1", un système de communication radiofréquence à semi-conducteurs 2D résistant aux radiations a été validé pour la première fois en orbite dans l'espace. Parallèlement, les semi-conducteurs 2D peuvent être préparés sous forme de dispositifs flexibles et transparents, pouvant soutenir le développement de dispositifs pour des domaines de pointe comme la détection optoélectronique et l'informatique quantique.
04 Conclusion
Actuellement, les semi-conducteurs 2D sont complètement sortis du laboratoire et sont entrés dans une nouvelle phase de développement caractérisée par la validation d'ingénierie et la fabrication de petits lots de wafers. Des percées au niveau wafer dans la préparation des matériaux, à la mise en service opérationnelle des lignes de fabrication, en passant par le déploiement d'applications dans de multiples domaines comme le calcul et le stockage, chaque maillon de la chaîne d'approvisionnement nationale des semi-conducteurs 2D progresse à un rythme accéléré, formant initialement une chaîne industrielle complète couvrant les matériaux, les équipements, la fabrication, la conception et les applications.
Dans cette nouvelle piste des semi-conducteurs 2D, la compétition internationale est déjà pleinement engagée. La formation de cette nouvelle chaîne industrielle offre non seulement de nouvelles possibilités pour la technologie des puces dans l'ère post-Moore, mais ouvre également une nouvelle dimension compétitive dans la refonte du paysage mondial de l'industrie des semi-conducteurs.
Cet article provient du compte WeChat officiel "Perspectives de l'industrie des semi-conducteurs" (ID : ICViews), auteur : Peng Cheng
