Bán dẫn hai chiều, còn gọi là bán dẫn lớp nguyên tử, là loại vật liệu bán dẫn có lớp chức năng lõi chỉ dày bằng một hoặc vài lớp nguyên tử, điển hình là các hợp chất chalcogenide kim loại chuyển tiếp (như Molypden Disulfide), và là một trong những vật liệu then chốt của kỷ nguyên hậu Moore. Khi quy trình chế tạo chip dựa trên silicon tiệm cận giới hạn vật lý, vật liệu bán dẫn kênh silicon truyền thống đã gần chạm trần hiệu năng. Bán dẫn hai chiều (như MoS₂, WSe₂, InSe, v.v.) với lợi thế tự nhiên về độ dày cấp nguyên tử, có khả năng đạt được khả năng điều khiển cổng mạnh mẽ tự nhiên ở quy mô kênh ngắn nhờ cấu trúc phẳng nguyên tử cấp wafer, được xem là vật liệu phi silicon tiềm năng nhất thời kỳ hậu Moore.
Hiện nay, sự đồng thuận công nghiệp trên toàn cầu đang hình thành ngày càng nhanh. Các gã khổng lồ sản xuất wafer quốc tế như TSMC, Intel, Samsung, cũng như các viện nghiên cứu hàng đầu như IMEC, IRDS đều đã công khai bố trí lộ trình cho bán dẫn hai chiều, nhận định nó sẽ trở thành thành phần cốt lõi được tích hợp vào hệ thống dị thể sau nút 1nm. Tháng 6/2026, TSMC hợp tác với ASML và imec tại hội thảo VLSI lần đầu tiên trình diễn tích hợp FET n/p hai chiều với khoảng cách cổng tiếp xúc 50 nm trên wafer 300 mm, đánh dấu việc các tập đoàn quốc tế đang thúc đẩy nhanh chóng quá trình chuyển đổi transitor hai chiều từ phòng thí nghiệm lên dây chuyền sản xuất. Trong bối cảnh đó, chuỗi cung ứng trong nước cũng đã tăng tốc bố trí toàn chuỗi, đạt được đột phá từ chế tạo vật liệu, tự nghiên cứu thiết bị đến tích hợp chip, xây dựng hệ sinh thái, chuỗi cung ứng bán dẫn hai chiều đang định hình.
01 Đột Phá Vật Liệu Và Tự Chủ Thiết Bị: Từ "Có Thể Làm" Đến "Có Thể Sản Xuất"
Bán dẫn hai chiều được xem là vật liệu then chốt cho sản xuất chip thời kỳ hậu silicon, nhưng việc chế tạo wafer quy mô lớn, chất lượng cao là tiền đề để nó tiến tới ứng dụng công nghiệp. Trong đó, lắng đọng hơi hóa học (CVD) và lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD) là những công nghệ then chốt để hiện thực hóa sản xuất quy mô lớn vật liệu bán dẫn hai chiều trong tương lai.
Trong lĩnh vực thiết bị và phát triển vật liệu, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Vương Tân Nhiên tại Đại học Nam Kinh phối hợp với nền tảng chuyển đổi công nghiệp của họ - Công ty TNHH Công nghệ Cực Molybden Chip, đã hình thành một vòng khép kín tích hợp sâu sắc "đổi mới học thuật - chế tạo thiết bị - xác minh công nghệ", đạt được một loạt tiến bộ trong lĩnh vực chế tạo tinh thể đơn bán dẫn hai chiều cấp wafer. Tháng 10/2025, dựa vào thiết bị Oxy-MOCVD 200 ultra tự nghiên cứu phát triển (linh kiện cốt lõi 100% nội địa hóa) của Cực Molybden Chip, thông qua công nghệ kỹ thuật đế sáng tạo, nhóm đã báo cáo đầu tiên trên thế giới về việc sản xuất hàng loạt tinh thể đơn bán dẫn hợp chất chalcogenide kim loại chuyển tiếp hai chiều 6 inch, tương thích với nhiều loại vật liệu như MoS2, WS2, WSe2, tỷ lệ liên kết định hướng đơn hướng trên wafer 150 mm vượt quá 99%. Tháng 1/2026, hợp tác với nhóm của Giáo sư Vương Kim Lan tại Đại học Đông Nam, nhóm đã phát triển công nghệ lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại hỗ trợ oxy (oxy-MOCVD) hoàn toàn mới, đột phá nút thắt điều khiển động lực học tăng trưởng, vừa nâng kích thước trung bình tinh vực MoS2 từ cấp trăm nanomet lên hàng trăm micromet, giải quyết vấn đề sản xuất lớn đồng đều, vừa ức chế triệt để vấn đề ô nhiễm carbon từ gốc. Dựa trên quy trình này, Cực Molybden Chip đã hoàn thành nâng cấp tùy chỉnh sâu cho thiết bị, có thể cung cấp khả năng xử lý plug-and-play cho hạ nguồn, hiện hệ thống công nghệ đã bao phủ các vật liệu bán dẫn hai chiều chủ lưu như MoS2, MoSe2, WS2, WSe2. Trên cơ sở này, Cực Molybden Chip tiến xa hơn, tiên phong toàn cầu trong việc sản xuất hàng loạt tinh thể đơn bán dẫn hai chiều 8 inch, sản phẩm đã vào các viện nghiên cứu hàng đầu như Đại học Cambridge, Đại học Phục Đán, và đã đạt được hợp tác với các doanh nghiệp sản xuất chip hạ nguồn, thông suốt bước then chốt từ mẫu phòng thí nghiệm đến vật liệu cấp dây chuyền.
Ngoài vật liệu loại n chủ lưu, điểm yếu về chế tạo wafer vật liệu bán dẫn hai chiều loại p cũng đã được bù đắp. Tương tự linh kiện điện tử nền silicon, tinh thể đơn bán dẫn hai chiều loại n và p cấp wafer là nền tảng và tiền đề để xây dựng mạch tích hợp CMOS hai chiều. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều loại vật liệu bán dẫn hai chiều loại n, trong đó MoS2, WS2... đã đạt được chế tạo tinh thể đơn cấp wafer; tuy nhiên, vật liệu bán dẫn hai chiều loại p vừa có độ linh động cao vừa có độ ổn định tuyệt vời vẫn rất khan hiếm, việc thực hiện tăng trưởng tinh thể đơn cấp wafer cho loại vật liệu này càng khó khăn hơn. Tháng 7/2026, nhóm nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đạt đột phá, thành công chế tạo wafer tinh thể đơn lớp đơn MoSi2N4 loại p diện tích lớn hiệu năng cao. Hệ vật liệu này do nhóm sáng tạo, trước đây chỉ có thể chế tạo màng đa tinh thể, khe hở biên giới hạt sẽ làm giảm mạnh hiệu năng linh kiện, cũng dễ hư hỏng khi chuyển gia công; nghiên cứu lần này thông qua hiệu ứng hướng dẫn bậc thang của đế tinh thể đơn đặc biệt, đã đạt được tăng trưởng định hướng và ghép nối liền mạch vật liệu, triệt để bù đắp điểm yếu cốt lõi lâu nay của mạch CMOS hai chiều là thiếu vật liệu loại p chất lượng cao.
Ở hướng vật liệu đặc thù, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Bành Hải Lâm tại Đại học Bắc Kinh lần đầu tiên đã thực hiện được chế tạo có kiểm soát màng sắt điện siêu mỏng, đồng đều và cấu trúc dị thể của nó trên quy mô cấp wafer, và xây dựng được transitor sắt điện tốc độ cao với điện áp làm việc siêu thấp (0.8V), độ bền cực cao (có thể lặp lại trên 1.5×10^12 lần), hiệu năng tổng hợp của nó vượt trội hẳn hệ thống sắt điện nền Hafni hiện có cấp công nghiệp, là transitor sắt điện có điện áp làm việc nhỏ nhất, tiêu thụ năng lượng thấp nhất và độ bền tối ưu nhất được biết đến hiện nay. Lần đầu tiên trên thế giới trình diễn hệ thống vật liệu sắt điện hai chiều cấp wafer hiệu năng cao, cung cấp nền tảng vật liệu đột phá và con đường công nghệ khả thi cho việc phát triển chip tiên tiến hiệu suất năng lượng cao.
02 Hệ Sinh Thái Kỹ Thuật Hóa Dần Định Hình, Thông Suốt Khoảng Cách Từ Phòng Thí Nghiệm Đến Dây Chuyền
Đột phá về vật liệu và linh kiện, cuối cùng cần được triển khai trong hệ thống sản xuất tiêu chuẩn hóa.
Ngày 9 tháng 7 năm 2026, dây chuyền quy trình thử nghiệm kỹ thuật hóa bán dẫn hai chiều 8 inch do nguyên Tập Vi Công nghệ xây dựng đã thông suốt toàn tuyến tại Phố Đông, trở thành cột mốc quan trọng cho bán dẫn hai chiều trong nước từ nghiên cứu khoa học tiến lên công nghiệp hóa. Dây chuyền quy trình này hoàn thành đốt sáng vào tháng 1/2026, chỉ hơn nửa năm đã hoàn thành hiệu chỉnh thiết bị và tối ưu hóa quy trình toàn trình, khác biệt với nền tảng thử nghiệm quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm, hiện đã có đầy đủ năng lực chạy wafer và thử nghiệm kỹ thuật hóa, xây dựng được chuỗi kỹ thuật hóa hoàn chỉnh từ chế tạo vật liệu đến tích hợp chip. Trước đó, nghiên cứu bán dẫn hai chiều trong nước chủ yếu tập trung ở phòng thí nghiệm đại học, chế tạo linh kiện chủ yếu là thử nghiệm thủ công số lượng nhỏ, khoảng cách lớn so với tiêu chuẩn công nghiệp; nhóm nguyên Tập Vi trải qua mười năm công phu, đã thông suốt toàn bộ quy trình chế tạo từ tăng trưởng wafer, quy trình tích hợp, mô hình hóa linh kiện, thiết kế mạch đến đóng gói kiểm tra.
Công cụ thiết kế quy trình (PDK) đi kèm đồng bộ triển khai, thêm một bước thông suốt rào cản kết nối giữa thiết kế và chế tạo. Phiên bản PDK 0.1 500 nanomet dựa trên dây chuyền thử nghiệm trung gian 8 inch do nguyên Tập Vi phát hành là IP quy trình đầu tiên trong lĩnh vực bán dẫn hai chiều tương thích với chuỗi công cụ EDA chủ lưu, bao gồm đầy đủ bộ công cụ như Pcell, DRC, LVS, PEX, v.v., tỷ lệ sản phẩm tốt của quy trình lớn hơn 99.99%, các chỉ số đều đột phá kỷ lục quốc tế, cơ bản tiệm cận mức độ của quy trình silicon tương đương, tương lai có thể hỗ trợ thiết kế và chế tạo cấp wafer cho mạch hai chiều cấp 10 vạn transitor.
Đi kèm với việc thông suốt dây chuyền và phát hành PDK, dịch vụ gia công và hệ sinh thái công nghiệp cũng đồng thời khởi động. Các nhóm nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh, Đại học Thanh Hoa, Đại học Giao thông Thượng Hải, Đại học Nam Kinh... đã hoàn thành ký kết nghiên cứu phát triển trường-doanh với nguyên Tập Vi; dịch vụ gia công wafer chính thức mở cửa cho phía nghiên cứu khoa học; các doanh nghiệp như Viện Tiên phong Tây An, Công ty TNHH Công nghệ Hai Chiều Tinh Thượng Hải cũng đã đạt được hợp tác chiến lược chuỗi cung ứng, triển khai hợp tác sâu rộng xoay quanh chia sẻ nền tảng quy trình, chuyển giao thành quả và cùng xây dựng hệ sinh thái. Hỗ trợ công nghiệp địa phương cũng đồng bộ theo kịp, trấn Xuyên Sa Thượng Hải lấy dây chuyền thử nghiệm trung gian của nguyên Tập Vi làm hạt nhân, thu hút các doanh nghiệp thượng-hạ nguồn chuỗi cung ứng tập trung; cấp thành phố Thượng Hải đã đưa bán dẫn hai chiều vào hướng trọng điểm bồi dưỡng công nghiệp tương lai, phát lực toàn diện từ nghiên cứu đột phá, đổi mới hợp tác đến bồi dưỡng hệ sinh thái, mục tiêu hình thành vòng khép kín công nghiệp hoàn chỉnh "nghiên cứu phát triển - thử nghiệm trung gian - sản xuất hàng loạt". Đáng chú ý, tỷ lệ thiết bị bán dẫn nền silicon hiện có có thể tái sử dụng cho dây chuyền bán dẫn hai chiều vào khoảng 70%, sẽ không làm đảo lộn hệ thống công nghiệp hiện có, mà ngược lại sẽ thúc đẩy tăng trưởng thị trường hoàn toàn mới ở các khâu vật liệu, thiết bị, chế tạo, đóng gói tiên tiến.
03 Bản Đồ Ứng Dụng Từ Tính Toán Đến Lưu Trữ, Tiếp Tục Mở Rộng
Đi cùng với sự trưởng thành của hệ thống chế tạo, bán dẫn hai chiều cũng đang mở rộng từ lĩnh vực logic tính toán sang các kịch bản ứng dụng như lưu trữ.
Trong lĩnh vực logic tính toán, trong nước đã hoàn thành bước nhảy vọt từ linh kiện đến bộ xử lý phức tạp. Năm 2025, bộ vi xử lý kiến trúc RISC-V 32 bit đầu tiên trên thế giới dựa trên vật liệu bán dẫn hai chiều "Vô Cực" được phát hành, sử dụng vật liệu Molypden Disulfide (MoS₂), tích hợp 5900 transitor, độ dày chỉ 0.7 nanomet, tỷ lệ sản phẩm tốt của bộ đảo ngược đơn cấp đạt 99.77%, thực hiện được nghiên cứu phát triển toàn chuỗi tự chủ từ vật liệu, kiến trúc đến chạy wafer, xác minh tính khả thi của việc xây dựng mạch logic phức tạp bằng vật liệu hai chiều. Bộ xử lý này ở tần số đồng hồ 1kHz có thể thực hiện tuần tự 37 loại lệnh RISC-V 32 bit, đáp ứng yêu cầu tập lệnh số nguyên RV32I. Có hiệu suất khuếch đại đơn cấp cao và rò rỉ cực thấp ở trạng thái tắt, phù hợp với các kịch bản như IoT, tính toán biên.
Năm 2026, nhóm Giáo sư Vương Tân Nhiên, Khâu Hạo tại Đại học Nam Kinh hợp tác với Phòng thí nghiệm Quốc gia Tô Châu và Huawei, tiếp tục thông suốt toàn quy trình thiết kế-quy trình-chế tạo chip bán dẫn hai chiều tương thích dây chuyền Fab, thành công nghiên cứu chế tạo bộ vi xử lý xử lý song song nhiều bit MoS₂ đầu tiên trên thế giới "Mộng Khởi (MAGIC)-1000", mật độ tích hợp transitor lập kỷ lục cao nhất cho mạch số phi silicon mới nổi, đánh dấu nghiên cứu bán dẫn hai chiều của nước ta bước vào giai đoạn phát triển mới tích hợp dây chuyền. Dựa trên tối ưu hóa hợp tác đa cấp độ, nhóm trong quy trình công nghiệp 0.5μm trên diện tích chip siêu nhỏ gọn đã tích hợp 1433 transitor MoS₂, thành công nghiên cứu chế tạo bộ vi xử lý "Mộng Khởi-1000". Chip này sử dụng tập lệnh RISC, cấu thành bởi bốn mô-đun chính: bộ giải mã lệnh, thanh ghi, đơn vị logic số học, bộ chọn đa kênh, mật độ tích hợp transitor so với kỷ lục quốc tế trước đó tăng 1 bậc độ lớn, đạt 9336 transitor/mm2, sánh ngang với quy trình silicon trưởng thành cùng nút. Chip lần đầu tiên thực hiện tính toán song song dữ liệu nhiều bit cho bán dẫn hai chiều, tần số làm việc cao nhất có thể đạt 43kHz, và tích hợp thanh ghi trên chip trên chip hai chiều, loại bỏ độ trễ truy cập và nút thắt băng thông do bộ nhớ ngoài chip mang lại.
Trong lĩnh vực lưu trữ, đặc tính rò rỉ cực thấp của bán dẫn hai chiều thể hiện giá trị chiến lược độc đáo. Nhóm hợp tác Đại học Phục Đán nghiên cứu phát triển transitor bán dẫn hai chiều có dòng rò thấp nhất từ trước đến nay. Nhóm đã đạt được dòng rò kỷ lục siêu thấp - tương đương chỉ rò rỉ một điện tử trong 9.15 giây. Trên cơ sở này, chip bộ nhớ DRAM mới được tạo ra, đã đạt được thời gian lưu giữ dữ liệu siêu dài hơn 8500 giây ở điện áp giữ 0, đồng thời cân bằng khả năng đọc ghi tốc độ cao và lưu trữ đa dung lượng. DRAM hai transitor không tụ điện (2T0C) được tối ưu hóa đã thực hiện hoạt động lưu trữ bán bất biến, độ chính xác lưu trữ 5 bit và tốc độ ghi cấp nanomet. Nguyên Tập Vi đã đặt DRAM làm hướng trọng điểm bố trí. Đặc tính rò rỉ cực thấp của bán dẫn hai chiều có thể giảm mạnh công suất làm mới, hy vọng sẽ triển khai đầu tiên trong các kịch bản thiết bị đầu cuối và tính toán công suất lớn, tương lai kết hợp với công nghệ xếp chồng 3D từng bước nâng cao dung lượng DRAM. Tháng 7/2026, nhóm Chu Bằng - Lưu Xuân Sâm tại Đại học Phục Đán tiến xa hơn, lần đầu tiên quan sát rõ ràng hành vi lưu trữ bất biến của điện tử đơn ở môi trường nhiệt độ phòng, thành công tạo ra linh kiện có cửa sổ lượng tử lưu trữ bất biến lớn nhất toàn cầu - chỉ cần bơm vào một điện tử đơn, cửa sổ lưu trữ đã có thể đạt 0.5 vôn. Điều này đánh dấu công nghệ lưu trữ thông tin điện tích đã đạt đến đỉnh cao nhất "một điện tử, một bit".
Ngoài tính toán và lưu trữ, bán dẫn hai chiều có ưu thế không thể thay thế trong nhiều kịch bản đặc thù hơn. Bán dẫn hai chiều với tư cách là vật liệu SOI cực hạn, có ưu thế độc đáo trong các kịch bản như mạch tương tự tần số vô tuyến, thông tin chống bức xạ, giao diện não-máy tính. Tháng 1 năm nay, dựa vào nền tảng vệ tinh "Phục Đán 1", hệ thống thông tin tần số vô tuyến bán dẫn hai chiều chống bức xạ lần đầu tiên thực hiện xác minh trên quỹ đạo không gian. Đồng thời, bán dẫn hai chiều có thể chế tạo thành linh kiện mềm dẻo, trong suốt, có thể hỗ trợ nghiên cứu phát triển linh kiện cho các lĩnh vực tiên phong như cảm biến quang điện, tính toán lượng tử.
04 Lời Kết
Hiện tại, bán dẫn hai chiều đã hoàn toàn bước ra khỏi phòng thí nghiệm, tiến vào giai đoạn phát triển mới toàn diện của xác minh kỹ thuật hóa, chạy wafer số lượng nhỏ. Từ đột phá cấp wafer trong chế tạo vật liệu, đến thông suốt kỹ thuật hóa dây chuyền chế tạo, rồi đến triển khai ứng dụng đa lĩnh vực như tính toán, lưu trữ, mỗi khâu của chuỗi cung ứng bán dẫn hai chiều trong nước đều đang tăng tốc thúc đẩy, bước đầu hình thành chuỗi cung ứng hoàn chỉnh bao phủ vật liệu, thiết bị, chế tạo, thiết kế, ứng dụng.
Trên đường đua mới nổi này của bán dẫn hai chiều, cạnh tranh quốc tế đã triển khai toàn diện. Sự hình thành của chuỗi cung ứng công nghiệp mới nổi này, không chỉ cung cấp khả năng mới cho công nghệ chip thời kỳ hậu Moore, mà còn mở ra một chiều cạnh tranh hoàn toàn mới trong việc định hình lại cục diện ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu.
Bài viết từ tài khoản Công chúng WeChat "Ngành Dọc Công Nghiệp Bán Dẫn" (ID:ICViews), tác giả: Bằng Trình
