Semikonduktor dua dimensi, juga dikenal sebagai semikonduktor lapisan atom, adalah bahan semikonduktor dengan lapisan fungsional inti yang tebalnya hanya setebal satu atau beberapa atom, diwakili oleh kalkogenida logam transisi (seperti molibdenum disulfida), dan merupakan salah satu bahan kunci di era pasca-Moore. Ketika proses manufaktur chip berbasis silikon mendekati batas fisiknya, bahan semikonduktor saluran silikon tradisional telah mendekati batas kinerjanya. Semikonduktor dua dimensi (seperti MoS2, WSe2, InSe, dll.) dengan keunggulan alami ketebalan atomnya, mampu mencapai kemampuan pengontrolan gerbang yang kuat secara alami pada skala saluran pendek dengan struktur datar atomik tingkat wafer, dianggap sebagai bahan baru non-silikon paling potensial di era pasca-Moore.
Saat ini, konsensus industri global sedang terbentuk dengan cepat. Raksasa manufaktur wafer internasional seperti TSMC, Intel, Samsung, serta lembaga penelitian top seperti IMEC dan IRDS telah secara jelas mengembangkan lini semikonduktor dua dimensi, menilai bahwa mereka akan diintegrasikan sebagai komponen inti ke dalam sistem integrasi heterogen setelah node 1nm. Pada Juni 2026, TSMC bersama ASML dan imec memamerkan untuk pertama kalinya di simposium VLSI integrasi transistor n/pFET dua dimensi dengan jarak gerbang kontak 50 nm pada wafer 300 mm, menandakan bahwa raksasa internasional sedang mempercepat transisi transistor dua dimensi dari laboratorium ke lini produksi. Dalam situasi ini, rantai industri domestik juga telah mempercepat tata letak seluruh rantainya, dengan terobosan dalam persiapan bahan, pengembangan peralatan mandiri, hingga integrasi chip dan pembangunan ekosistem, rantai industri semikonduktor dua dimensi sedang terbentuk.
01 Terobosan Material dan Otonomi Peralatan: Dari "Bisa Membuat" ke "Bisa Memproduksi"
Semikonduktor dua dimensi dianggap sebagai bahan kunci dalam manufaktur chip era pasca-silikon, namun persiapan wafer bahan semikonduktor dua dimensi yang berskala besar dan berkualitas tinggi adalah prasyarat untuk aplikasi industrialisasinya. Di antaranya, Chemical Vapor Deposition (CVD) dan Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) adalah teknologi kunci untuk mewujudkan manufaktur bahan semikonduktor dua dimensi yang berskala besar di masa depan.
Di bidang peralatan dan pertumbuhan material, tim Profesor Wang Xinran dari Universitas Nanjing dan platform transformasi industrinya, Jimoxinke Technology, bekerja sama dalam serangkaian kemajuan dalam persiapan kristal tunggal semikonduktor dua dimensi tingkat wafer. Pada Oktober 2025, tim ini, mengandalkan perangkat Oxy-MOCVD 200 ultra yang dikembangkan secara mandiri oleh Jimoxinke Technology (komponen inti 100% buatan dalam negeri), melalui teknik rekayasa substrat inovatif, melaporkan untuk pertama kalinya di dunia persiapan produksi massal kristal tunggal semikonduktor kalkogenida logam transisi dua dimensi 6 inci, kompatibel dengan berbagai bahan seperti MoS2, WS2, WSe2, dengan laju keselarasan domain satu arah wafer 150 mm melebihi 99%. Pada Januari 2026, tim bekerja sama dengan tim Profesor Wang Jinlan dari Universitas Tenggara, mengembangkan teknologi oxy-MOCVD (oxygen-assisted metal-organic chemical vapor deposition) baru, melampaui hambatan regulasi kinetika pertumbuhan, tidak hanya meningkatkan ukuran domain kristal MoS2 rata-rata dari ratusan nanometer menjadi ratusan mikrometer, memecahkan masalah produksi massal pertumbuhan seragam area besar, tetapi juga menekan masalah kontaminasi karbon dari akarnya. Berdasarkan proses ini, Jimoxinke menyelesaikan peningkatan dan kustomisasi mendalam pada perangkat, dapat menyediakan kemampuan proses plug-and-play untuk hilir, saat ini sistem teknologi telah mencakup bahan semikonduktor dua dimensi utama seperti MoS2, MoSe2, WS2, WSe2. Atas dasar ini, Jimoxinke lebih lanjut memimpin di dunia dalam mencapai produksi massal kristal tunggal semikonduktor dua dimensi 8 inci, produk telah memasuki lembaga penelitian top seperti Universitas Cambridge, Universitas Fudan, dan bekerja sama dengan perusahaan manufaktur chip hilir, menghubungkan langkah kunci dari sampel laboratorium ke bahan tingkat lini produksi.
Selain bahan tipe-n utama, kekurangan dalam persiapan kristal tunggal tingkat wafer semikonduktor dua dimensi tipe-p juga telah ditutup. Mirip dengan perangkat elektronik berbasis silikon, kristal tunggal semikonduktor dua dimensi tipe-n dan tipe-p tingkat wafer adalah dasar dan prasyarat untuk membangun sirkuit terintegrasi CMOS dua dimensi. Hingga saat ini, para peneliti telah mengembangkan berbagai bahan semikonduktor dua dimensi tipe-n, di antaranya MoS2, WS2, dll. telah mencapai persiapan kristal tunggal tingkat wafer; namun, semikonduktor dua dimensi tipe-p dengan mobilitas tinggi dan stabilitas sangat baik masih langka, dan pertumbuhan kristal tunggal tingkat wafer dari bahan semacam ini lebih sulit. Pada Juli 2026, tim dari Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences mencapai terobosan, berhasil menyiapkan wafer kristal tunggal lapisan tunggal MoSi2N4 tipe-p area besar berkinerja tinggi. Sistem bahan ini pertama kali diciptakan oleh tim tersebut, sebelumnya hanya dapat menyiapkan film polikristalin, celah batas butir akan secara signifikan mengurangi kinerja perangkat, dan juga mudah rusak selama pemindahan dan pemrosesan; penelitian ini, melalui efek panduan anak tangga substrat kristal tunggal khusus, mencapai pertumbuhan terarah dan penyambungan tanpa celah bahan, sepenuhnya menutup kekurangan inti panjang dari sirkuit CMOS dua dimensi yang kehilangan bahan tipe-p berkualitas.
Dalam arah bahan khusus, tim penelitian Profesor Peng Hailin dari Universitas Peking untuk pertama kalinya pada skala tingkat wafer mencapai persiapan terkontrol film ferroelektrik ultra-tipis dan seragam serta struktur heteronya, dan membangun transistor ferroelektrik berkecepatan tinggi dengan tegangan kerja ultra-rendah (0.8V) dan daya tahan sangat tinggi (dapat bersiklus lebih dari 1.5×10^12 kali), kinerja komprehensifnya secara signifikan melampaui sistem ferroelektrik berbasis hafnium tingkat industri yang ada, saat ini merupakan transistor ferroelektrik dengan tegangan kerja terkecil, konsumsi daya terendah, dan daya tahan terbaik yang diketahui. Untuk pertama kalinya di dunia menunjukkan sistem bahan ferroelektrik dua dimensi tingkat wafer berkinerja tinggi, menyediakan dasar material dan jalur teknologi yang layak untuk pengembangan chip canggih berdaya tinggi.
02 Ekosistem Rekayasa Secara Bertahap Terbentuk, Menjembatani Jurang dari Laboratorium ke Lini Produksi
Terobosan material dan perangkat pada akhirnya perlu diterapkan ke dalam sistem manufaktur standar.
Pada 9 Juli 2026, Lini Proses Percontohan Rekayasa Semikonduktor Dua Dimensi 8 Inci yang dibangun oleh Yuanji Micro Technology di Pudong terhubung penuh, menjadi tonggak sejarah semikonduktor dua dimensi domestik dari penelitian ke industrialisasi. Lini proses ini selesai dinyalakan pada Januari 2026, hanya membutuhkan waktu lebih dari setengah tahun untuk menyelesaikan debugging peralatan dan optimalisasi proses penuh, berbeda dengan platform uji coba kecil laboratorium, saat ini telah memiliki kemampuan fabrikasi wafer dan uji coba rekayasa lengkap, membangun rantai rekayasa lengkap dari persiapan bahan hingga integrasi chip. Sebelumnya, penelitian semikonduktor dua dimensi domestik sebagian besar terkonsentrasi di laboratorium universitas, persiapan perangkat didominasi oleh uji coba manual skala kecil, dengan kesenjangan besar dari standar industri; tim Yuanji Micro Technology, setelah sepuluh tahun penuh perjuangan, menghubungkan proses lengkap dari pertumbuhan wafer, proses integrasi, pemodelan perangkat, desain sirkuit hingga pengujian dan pengemasan.
Paket alat desain proses (PDK) pendukung juga diluncurkan secara bersamaan, lebih lanjut menjembatani hambatan hubungan antara desain dan manufaktur. PDK 0.1 versi 500 nm berbasis lini pilot 8 inci yang dirilis oleh Yuanji Micro Technology adalah IP proses pertama di bidang semikonduktor dua dimensi yang kompatibel dengan rantai alat EDA utama, berisi set lengkap paket alat termasuk Pcell, DRC, LVS, PEX, dengan hasil proses lebih besar dari 99.99%, berbagai indikator memecahkan rekor internasional, pada dasarnya mendekati tingkat proses silikon setara, di masa depan dapat mendukung desain dan manufaktur tingkat wafer sirkuit dua dimensi kelas 100.000 transistor.
Seiring dengan sambungan lini produksi dan peluncuran PDK, layanan foundry dan ekosistem industri juga dimulai secara bersamaan. Tim dari Universitas Peking, Universitas Tsinghua, Universitas Jiaotong Shanghai, Universitas Nanjing, dan lainnya telah menyelesaikan penandatanganan kerja sama penelitian dengan Yuanji Micro Technology, layanan foundry wafer secara resmi terbuka untuk sektor penelitian; perusahaan seperti Xi'an Pioneer Institute, Shanghai Erweixing Technology juga mencapai kerja sama strategis rantai industri, mengembangkan kerja sama mendalam di sekitar berbagi platform proses, transformasi hasil, dan pembangunan ekosistem. Dukungan industri lokal juga mengikuti, Kota Baru Chuansha Shanghai dengan lini pilot Yuanji Micro Technology sebagai inti, menarik perusahaan hulu dan hilir rantai industri untuk berkumpul; pada tingkat kota Shanghai, semikonduktor dua dimensi telah dimasukkan ke dalam arah pengembangan utama industri masa depan, dari penelitian dan pengembangan, inovasi kolaboratif hingga pengembangan ekosistem, dengan target membentuk siklus industri lengkap "penelitian-pilot-produksi massal". Perlu dicatat, rasio peralatan semikonduktor berbasis silikon yang ada yang dapat digunakan kembali oleh lini produksi semikonduktor dua dimensi sekitar 70%, tidak akan mengganggu sistem industri yang ada, justru akan menciptakan pertumbuhan pasar baru di segmen bahan, peralatan, manufaktur, kemasan canggih, dan lainnya.
03 Peta Aplikasi yang Berkembang dari Komputasi ke Penyimpanan, Peta Aplikasi Terus Meluas
Seiring dengan matangnya sistem manufaktur, semikonduktor dua dimensi juga sedang memperluas dari komputasi logika ke skenario aplikasi seperti penyimpanan.
Di bidang komputasi logika, domestik telah menyelesaikan lompatan dari perangkat ke prosesor kompleks. Pada tahun 2025, mikroprosesor arsitektur RISC-V 32-bit pertama di dunia berbahan semikonduktor dua dimensi "Wuji" diluncurkan, menggunakan bahan molibdenum disulfida (MoS2), mengintegrasikan 5900 transistor, ketebalan hanya 0.7 nanometer, hasil inverter tunggal mencapai 99.77%, mewujudkan pengembangan mandiri seluruh rantai dari bahan, arsitektur hingga fabrikasi wafer, memvalidasi kelayakan bahan dua dimensi membangun sirkuit logika kompleks. Prosesor ini pada frekuensi clock 1kHz dapat secara serial mengimplementasikan 37 instruksi RISC-V 32-bit, memenuhi persyaratan set instruksi integer RV32I. Memiliki kinerja penguatan tunggal tinggi dan kebocoran arus keadaan mati ultra-rendah, cocok untuk skenario seperti IoT, komputasi tepi.
Pada tahun 2026, tim Profesor Wang Xinran dan Qiu Hao dari Universitas Nanjing bersama Suzhou National Laboratory dan Huawei, lebih lanjut menghubungkan seluruh alur kerja desain-proses-manufaktur chip semikonduktor dua dimensi yang kompatibel dengan lini Fab, berhasil mengembangkan mikroprosesor paralel multi-bit MoS2 (molibdenum disulfida) pertama di dunia "Mengqi (MAGIC)-1000", kepadatan integrasi transistor menciptakan rekor tertinggi untuk sirkuit digital non-silikon baru, menandakan penelitian semikonduktor dua dimensi China memasuki tahap pengembangan baru integrasi lini produksi. Berdasarkan optimalisasi kolaboratif lintas tingkat, tim dalam proses industri 0.5μm dalam area chip ultra-kompak mengintegrasikan 1433 transistor MoS2, berhasil mengembangkan mikroprosesor "Mengqi-1000". Chip ini menggunakan set instruksi RISC, terdiri dari empat modul utama: dekoder instruksi, bank register, unit logika aritmatika, multiplexer, kepadatan integrasi transistor meningkat 1 orde besarnya dari rekor internasional sebelumnya, mencapai 9336/mm2, sebanding dengan proses silikon matang node yang sama. Chip ini pertama kali mewujudkan operasi paralel data multi-bit semikonduktor dua dimensi, frekuensi kerja maksimum dapat mencapai 43kHz, dan mengintegrasikan bank register on-chip pada chip dua dimensi, menghilangkan latensi akses dan hambatan bandwidth yang dibawa oleh penyimpanan off-chip.
Di bidang penyimpanan, karakteristik kebocoran arus ultra-rendah semikonduktor dua dimensi menunjukkan nilai strategis unik. Tim gabungan Universitas Fudan mengembangkan transistor semikonduktor dua dimensi dengan arus kebocoran terendah hingga saat ini. Tim ini mencapai arus kebocoran ultra-rendah rekor—setara dengan hanya satu elektron yang bocor setiap 9.15 detik. Atas dasar ini, chip memori DRAM baru yang dibangun, pada tegangan retensi nol mencapai waktu retensi data ultra-panjang lebih dari 8500 detik, sekaligus menyeimbangkan kemampuan baca-tulis cepat dan penyimpanan multi-kapasitas. DRAM dua transistor tanpa kapasitor (2T0C) yang dioptimalkan mencapai operasi penyimpanan quasi-nonvolatile, presisi penyimpanan 5-bit, dan kecepatan penulisan nanodetik. Yuanji Micro Technology telah menetapkan DRAM sebagai arah fokus utama. Karakteristik kebocoran arus ultra-rendah semikonduktor dua dimensi dapat secara signifikan mengurangi daya refresh, diharapkan dapat pertama kali diimplementasikan dalam skenario tepi dan komputasi besar, di masa depan dikombinasikan dengan teknologi penumpukan 3D secara bertahap meningkatkan kapasitas DRAM. Pada Juli 2026, tim Zhou Peng-Liu Chunsen dari Universitas Fudan melangkah lebih jauh, untuk pertama kalinya dalam lingkungan suhu kamar mengamati dengan jelas perilaku penyimpanan nonvolatile elektron tunggal, berhasil membuat perangkat dengan jendela penyimpanan kuantum nonvolatile terbesar di dunia—hanya perlu menyuntikkan satu elektron, jendela penyimpanan dapat mencapai 0.5 volt. Ini menandakan teknologi penyimpanan informasi muatan telah mencapai puncak tertinggi "satu elektron, satu bit".
Selain komputasi dan penyimpanan, semikonduktor dua dimensi memiliki keunggulan tak tergantikan dalam lebih banyak skenario khusus. Semikonduktor dua dimensi sebagai bahan SOI ekstrem, memiliki keunggulan unik dalam sirkuit analog RF, komunikasi antiradiasi, antarmuka otak-komputer, dan skenario lainnya. Pada Januari tahun ini, mengandalkan platform satelit "Fudan-1", sistem komunikasi RF semikonduktor dua dimensi antiradiasi pertama kali mencapai validasi di orbit luar angkasa. Pada saat yang sama, semikonduktor dua dimensi dapat disiapkan sebagai perangkat fleksibel dan transparan, mampu mendukung penelitian dan pengembangan perangkat di bidang depan seperti sensor optoelektronik, komputasi kuantum.
04 Kesimpulan
Saat ini, semikonduktor dua dimensi telah benar-benar keluar dari laboratorium, memasuki tahap pengembangan baru verifikasi rekayasa dan fabrikasi wafer skala kecil. Dari terobosan tingkat wafer dalam persiapan bahan, ke sambungan rekayasa lini manufaktur, hingga implementasi aplikasi di berbagai bidang seperti komputasi dan penyimpanan, setiap bagian dari rantai industri semikonduktor dua dimensi domestik sedang dipercepat, secara awal membentuk rantai industri lengkap yang mencakup bahan, peralatan, manufaktur, desain, aplikasi.
Di jalur baru semikonduktor dua dimensi ini, persaingan internasional telah sepenuhnya dimulai. Pembentukan rantai industri baru ini tidak hanya menyediakan kemungkinan baru untuk teknologi chip di era pasca-Moore, tetapi juga membuka dimensi persaingan baru dalam transformasi struktur industri semikonduktor global.
Artikel ini berasal dari akun WeChat "Semiconductor Industry Vertical and Horizontal" (ID: ICViews), penulis: Peng Cheng
