Двумерные полупроводники, также известные как атомнослойные полупроводники, представляют собой полупроводниковые материалы, у которых толщина основного функционального слоя составляет всего один или несколько атомных слоев. Такие материалы, представленные дихалькогенидами переходных металлов (например, дисульфидом молибдена), являются одной из ключевых материаловых платформ в эпоху «после закона Мура». По мере того, как техпроцессы кремниевых чипов приближаются к физическим пределам, традиционные кремниевые материалы для каналов достигли потолка своих возможностей. Благодаря своему естественному преимуществу — атомарной толщине, двумерные полупроводники (такие как MoS2, WSe2, InSe и др.) способны, имея атомарно гладкую структуру в масштабе пластины, обеспечить мощное управление затвором в масштабах коротких каналов и считаются наиболее перспективным новым немеханическим материалом в пост-муровскую эпоху.
В настоящее время в глобальном масштабе ускоряется формирование промышленного консенсуса. Ведущие международные производители пластин, такие как TSMC, Intel, Samsung, а также ведущие исследовательские институты, включая IMEC и IRDS, уже четко обозначили свои стратегии в области двумерных полупроводников, прогнозируя их интеграцию в качестве ключевого компонента в системы гетерогенной интеграции после перехода к техпроцессам ниже 1 нм. В июне 2026 года на симпозиуме VLSI компании TSMC, ASML и imec впервые продемонстрировали интеграцию двумерных n/pFET с шагом затворов 50 нм на 300-мм пластине, что свидетельствует об ускорении усилий международных гигантов по переносу двумерных транзисторов из лабораторий на производственные линии. В этих условиях отечественная цепочка поставок также ускорила сквозное развертывание, достигнув прорывов в подготовке материалов, самостоятельной разработке оборудования, интеграции чипов и построении экосистемы, формируется полноценная цепочка создания стоимости для двумерных полупроводников.
01 Прорывы в материалах и локализация оборудования: от «возможности сделать» к «возможности производить»
Двумерные полупроводники рассматриваются как ключевой материал для производства чипов в посткремниевую эпоху, однако масштабируемое производство высококачественных двумерных полупроводниковых пластин является предпосылкой для их промышленного применения. Среди технологий химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) являются ключевыми для будущего масштабируемого производства двумерных полупроводниковых материалов.
В области оборудования и выращивания материалов исследовательская группа профессора Ван Синьжаня из Нанкинского университета в тесном сотрудничестве со своей индустриальной платформой трансфера технологий, компанией Jimoxin Technology, сформировала глубоко интегрированный замкнутый цикл «академические инновации — разработка оборудования — технологическая верификация», достигнув серии успехов в выращивании монокристаллов двумерных полупроводников на уровне пластин. В октябре 2025 года команда, используя самостоятельно разработанное компанией Jimoxin Technology оборудование Oxy-MOCVD 200 ultra (со 100% локализованными ключевыми компонентами), с помощью инновационных технологий инженерии подложки впервые в мире сообщила о производстве первых в мире 6-дюймовых монокристаллов двумерных полупроводников на основе дихалькогенидов переходных металлов, совместимых с такими материалами, как MoS2, WS2, WSe2. Доля однонаправленного выравнивания доменов на 150-мм пластине превысила 99%. В январе 2026 года команда в сотрудничестве с группой профессора Ван Цзиньлань из Юго-Восточного университета разработала новую технологию кислород-ассистированного металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (oxy-MOCVD), преодолев узкое место в регулировании кинетики роста. Это не только увеличило средний размер кристаллических доменов MoS2 с нанометрового до сотен микрометров, решив проблему масштабируемого производства с однородным ростом на большой площади, но и с самого источника подавило проблему углеродного загрязнения. На основе этого процесса компания Jimoxin Technology провела глубокую кастомизацию и модернизацию оборудования, предлагая готовые к использованию производственные мощности для нижестоящих партнеров. В настоящее время технологическая система охватывает основные двумерные полупроводниковые материалы, такие как MoS2, MoSe2, WS2, WSe2. На этой основе компания Jimoxin Technology пошла еще дальше, став первой в мире, кто реализовал массовое производство 8-дюймовых монокристаллов двумерных полупроводников. Продукция уже поставляется в ведущие научно-исследовательские учреждения, такие как Кембриджский университет и Фуданьский университет, и достигнуты соглашения о сотрудничестве с производителями чипов, что является ключевым шагом на пути от лабораторных образцов к материалам производственного уровня.
Помимо основных n-типных материалов, также был устранен пробел в производстве пластин p-типных двумерных полупроводников. Как и в случае с кремниевыми электронными устройствами, монокристаллы n-типных и p-типных двумерных полупроводников на уровне пластины являются основой и предпосылкой для создания CMOS-интегральных схем на основе двумерных материалов. На сегодняшний день исследователи разработали множество n-типных двумерных полупроводниковых материалов, таких как MoS2 и WS2, для которых уже достигнуто производство монокристаллов на уровне пластин; однако p-типные двумерные полупроводники, сочетающие высокую подвижность и отличную стабильность, по-прежнему крайне редки, а реализация роста монокристаллов таких материалов на уровне пластин представляет собой еще большую сложность. В июле 2026 года команда Института металлургии Китайской академии наук добилась прорыва, успешно синтезировав крупноформатные высокопроизводительные p-типные монокристаллические пластины однослойного MoSi2N4. Эта материаловая система была впервые создана данной командой; ранее удавалось производить только поликристаллические пленки, границы зерен в которых значительно снижали производительность устройств, а также они легко повреждались при переносе и обработке. В данном исследовании, благодаря эффекту ступенчатого наведения на специальной монокристаллической подложке, был реализован направленный рост материала и бесшовное соединение, что окончательно устранило ключевой недостаток, долгое время препятствовавший созданию CMOS-схем на основе двумерных материалов, — отсутствие качественного p-типного материала.
В области специальных материалов исследовательская группа профессора Пэн Хайлиня из Пекинского университета впервые осуществила контролируемое производство сверхтонких однородных сегнетоэлектрических пленок и их гетероструктур в масштабах пластины, а также создала высокоскоростные сегнетоэлектрические транзисторы с ультранизким рабочим напряжением (0,8 В) и исключительно высокой долговечностью (более 1,5×10^12 циклов). Их совокупные характеристики значительно превосходят существующие промышленные сегнетоэлектрические системы на основе гафния, представляя собой транзисторы с наименьшим известным рабочим напряжением, самой низкой энергопотреблением и оптимальной долговечностью. Впервые в мире была продемонстрирована высокопроизводительная сегнетоэлектрическая материаловедческая платформа на основе двумерных материалов в масштабах пластины, что закладывает прорывную материальную основу и обеспечивает осуществимый технологический путь для разработки высокоэнергоэффективных передовых чипов.
02 Формирование инженерной экосистемы: преодоление пропасти между лабораторией и производственной линией
Прорывы в материалах и устройствах в конечном итоге должны быть интегрированы в стандартизированные производственные системы.
9 июля 2026 года демонстрационная инженерно-технологическая линия для 8-дюймовых двумерных полупроводников, построенная компанией «Юаньцзивэй», была полностью введена в эксплуатацию в Пудуне, став вехой на пути превращения отечественных двумерных полупроводников из области исследований в промышленность. Эта технологическая линия была запущена в январе 2026 года, и всего за полгода были завершены отладка всего оборудования и оптимизация процессов. В отличие от небольших лабораторных испытательных установок, она уже обладает полными возможностями по производству пластин и инженерным испытаниям, создавая полную инженерную цепочку от подготовки материалов до интеграции чипов. До этого исследования двумерных полупроводников в Китае в основном сосредотачивались в университетских лабораториях, а производство устройств осуществлялось в основном вручную небольшими партиями, что значительно отличалось от промышленных стандартов. Команда «Юаньцзивэй» после десяти лет напряженной работы реализовала полный производственный цикл: от выращивания пластин, интеграционных процессов, моделирования устройств, проектирования схем до упаковки и тестирования.
Параллельно был внедрен комплект средств проектирования технологических процессов (PDK), что еще больше устранило барьеры между проектированием и производством. Версия PDK 0.1 с техпроцессом 500 нм, выпущенная компанией «Юаньцзивэй» на основе 8-дюймовой опытно-промышленной линии, является первым технологическим IP в области двумерных полупроводников, совместимым с основными цепочками инструментов EDA, и включает в себя полный комплект средств: Pcell, DRC, LVS, PEX и др. Выход годных достигает более 99,99%, при этом все показатели побили международные рекорды и в основном приблизились к уровню кремниевых аналогов при аналогичном техпроцессе. В будущем это позволит поддерживать проектирование и производство на уровне пластин для двумерных схем масштаба до 100 тысяч транзисторов.
Параллельно с запуском производственной линии и выпуском PDK были запущены услуги по производству на аутсорсинге и формирование промышленной экосистемы. Команды из Пекинского университета, Университета Цинхуа, Шанхайского университета Цзяотун, Нанкинского университета и других вузов уже подписали соглашения о совместных исследованиях и разработках с компанией «Юаньцзивэй», и услуги по производству пластин официально открыты для научно-исследовательского сектора. Такие компании, как «Сиань Сяньдаоюань» и «Шанхай Эрвэйсин Кэцзи», также заключили стратегические партнерские соглашения по цепочке поставок, направленные на углубленное сотрудничество в области совместного использования технологических платформ, трансфера технологий и совместного построения экосистемы. Местная промышленная поддержка также развивается параллельно: район Чуаньша в Шанхае, используя опытно-промышленную линию «Юаньцзивэй» в качестве ключевого носителя, привлекает предприятия верхнего и нижнего звеньев цепочки поставок. На уровне всего Шанхая двумерные полупроводники включены в число ключевых направлений развития будущих отраслей, прилагаются усилия по всем направлениям: от научных исследований и совместных инноваций до развития экосистемы, с целью формирования полного промышленного цикла «НИОКР — опытно-промышленное производство — массовое производство». Примечательно, что доля существующего кремниевого полупроводникового оборудования, которое может быть повторно использовано на линиях по производству двумерных полупроводников, составляет около 70%, что не приведет к слому существующей промышленной системы, а, наоборот, создаст совершенно новые рыночные возможности в таких областях, как материалы, оборудование, производство и передовая упаковка.
03 Расширяющаяся карта применения: от вычислений к хранению данных
По мере созревания производственных систем двумерные полупроводники также расширяются от логических вычислений к таким областям применения, как запоминающие устройства.
В области логических вычислений Китай совершил переход от устройств к сложным процессорам. В 2025 году был представлен первый в мире 32-разрядный микропроцессор с архитектурой RISC-V на основе двумерных полупроводниковых материалов «Уцзи». Он использует материал дисульфида молибдена (MoS2), интегрирует 5900 транзисторов, имеет толщину всего 0,7 нм, выход годных одноступенчатых инверторов достигает 99,77%, реализуя полную независимую разработку от материала и архитектуры до производства пластин, что подтверждает осуществимость построения сложных логических схем на основе двумерных материалов. На частоте 1 кГц этот процессор может последовательно выполнять 37 типов 32-разрядных инструкций RISC-V, удовлетворяя требованиям набора инструкций RV32I для целочисленных операций. Он обладает высокой одноступенчатой передаточной характеристикой и сверхнизким током утечки в закрытом состоянии, подходя для таких сценариев, как интернет вещей и периферийные вычисления.
В 2026 году команды профессоров Ван Синьжаня и Цю Хао из Нанкинского университета совместно с Сучжоуской национальной лабораторией и компанией Huawei, реализовав полный цикл проектирования-техпроцесса-производства чипов на основе двумерных полупроводников, совместимый с фабричным производством (Fab), успешно разработали первый в мире многоразрядный параллельный микропроцессор на основе дисульфида молибдена (MoS2) «Мэнчи (MAGIC)-1000». Плотность интеграции транзисторов установила новый мировой рекорд для новых цифровых схем на основе немеханических материалов, что знаменует собой вступление китайских исследований в области двумерных полупроводников в новую стадию интеграции с производственными линиями. Благодаря сквозной межуровневой оптимизации, команда в рамках промышленного техпроцесса 0,5 мкм на сверхкомпактной площади чипа интегрировала 1433 транзистора MoS2, успешно разработав микропроцессор «Мэнчи-1000». Чип использует набор инструкций RISC и состоит из четырех основных модулей: декодера инструкций, регистрового файла, арифметико-логического устройства и мультиплексора. Плотность интеграции транзисторов по сравнению с предыдущим международным рекордом увеличилась на порядок, достигнув 9336 шт/мм2, что сопоставимо с уровнем зрелых кремниевых технологий при аналогичном узле. Чип впервые реализует многоразрядную параллельную обработку данных на основе двумерных полупроводников, достигая максимальной рабочей частоты 43 кГц, а также интегрирует встроенный регистровый файл на самом двумерном чипе, устраняя задержки доступа и узкие места по пропускной способности, связанные с внешней памятью.
В области памяти сверхнизкие токи утечки двумерных полупроводников демонстрируют уникальную стратегическую ценность. Совместная команда Фуданьского университета разработала транзисторы на основе двумерных полупроводников с рекордно низким током утечки на сегодняшний день. Команда достигла рекордно низкого тока утечки — эквивалентного утечке одного электрона за 9,15 секунды. На этой основе был создан новый чип памяти DRAM, который при нулевом напряжении удержания обеспечивает сверхдлительное время хранения данных — более 8500 секунд, одновременно сочетая высокоскоростные операции чтения/записи и возможность хранения данных с высокой плотностью. Оптимизированная DRAM без конденсаторов с двумя транзисторами (2T0C) реализует квази-энергонезависимые операции хранения, 5-разрядную точность хранения и наносекундную скорость записи. Компания «Юаньцзивэй» уже определила DRAM как ключевое направление развития. Сверхнизкие токи утечки двумерных полупроводников могут значительно снизить энергопотребление при регенерации (refresh), что дает возможность для их первоочередного внедрения в периферийных устройствах и сценариях с высокими вычислительными нагрузками; в будущем, в сочетании с технологией трехмерного наращивания, можно будет постепенно увеличивать емкость DRAM. В июле 2026 года команда профессоров Чжоу Пэна и Лю Чуньсэня из Фуданьского университета пошла еще дальше, впервые при комнатной температуре четко наблюдая неэнергонезависимое запоминающее поведение одиночного электрона и успешно создав устройство с крупнейшим в мире неэнергонезависимым квантовым окном для хранения заряда — для достижения окна хранения 0,5 вольт требуется инжекция всего одного электрона. Это знаменует достижение вершины технологии хранения информации заряда — уровня «один электрон, один бит».
Помимо вычислений и хранения данных, двумерные полупроводники обладают незаменимыми преимуществами в большем количестве специализированных сценариев. Будучи предельно тонким материалом SOI, двумерные полупроводники обладают уникальными преимуществами в таких областях, как радиочастотные аналоговые схемы, антирадиационная связь, интерфейсы «мозг-компьютер». В январе этого года на платформе спутника «Фудань-1» была впервые осуществлена орбитальная проверка в космосе антирадиационной радиочастотной системы связи на основе двумерных полупроводников. Кроме того, двумерные полупроводники могут быть использованы для создания гибких, прозрачных устройств, что способствует разработке компонентов для таких передовых областей, как оптоэлектронные сенсоры и квантовые вычисления.
04 Заключение
В настоящее время двумерные полупроводники окончательно вышли из лабораторий и вступили в совершенно новую фазу развития, включающую инженерную верификацию и мелкосерийное производство пластин. От прорывов в производстве материалов на уровне пластин до ввода в эксплуатацию инженерных производственных линий и внедрения в различных областях, таких как вычисления и хранение данных, каждое звено отечественной цепочки создания стоимости для двумерных полупроводников ускоряется, формируя первоначальную полную цепочку, охватывающую материалы, оборудование, производство, проектирование и применение.
На этом новом направлении — двумерных полупроводников — международная конкуренция уже развернулась в полной мере. Формирование этой новой цепочки создания стоимости не только предоставляет новые возможности для технологий чипов в пост-муровскую эпоху, но и открывает совершенно новое измерение конкуренции в процессе перестройки глобальной полупроводниковой промышленности.
Данная статья взята с официального аккаунта WeChat «Полупроводниковая промышленность в перспективе» (ID: ICViews), автор: Пэн Чэн
