台积电和阿斯麦都在重点研发的「二维半导体」是什么？｜泰合观点

1999年，荷兰半导体设备公司、全球原子层沉积设备龙头——ASM国际（ASM International，下称ASM）买下了芬兰一家叫Microchemistry的小公司^[1]。这家公司的看家本领是原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD），一次只往晶圆上铺一层原子。公司那时只有42名员工^[2]，半导体设备也只装在几所大学和实验室里，用于评估和技术开发。在那个年代，芯片行业还用不上这门手艺。

此后多年，ASM和英特尔一起反复试验，想换掉晶体管里用了几十年的二氧化硅绝缘层^[3]。2007年11月，英特尔推出首批采用高介电常数金属栅的45nm处理器^[4]，原子层沉积由此进入先进逻辑芯片的量产线。到2014年，原子层沉积相关产品已占ASM设备收入的一半以上^[5]。

从实验室到产线，ASM坚守着这门“小众手艺”走了八年。

这笔当年少有人看好的收购，后来长成了一门大生意。2025年，ASM收入达到32亿欧元，连续第九年保持两位数增长^[6]，在原子层沉积设备市场的份额超过55%^[7]。今年10月，ASM宣布预计2027年收入将超过57亿欧元^[8]。1997年，ASM的市值还不到4亿欧元；今年6月，这个数字超过了500亿欧元^[9]。ASM自己的解释是：制程越往前走，器件越复杂，越需要新材料，沉积工艺的用量也就越大^[7]。

今天，另一种原子级的材料，走到了相似的位置。

「二维半导体」，指只有一个或几个原子厚的半导体材料，代表是二硫化钼（MoS₂）、二硒化钨（WSe₂）这类过渡金属硫族化合物。沟道薄到原子级，栅极更容易控制电流；表面几乎没有悬挂键，容易和其他材料层层堆叠。它们有潜力用在更短的沟道上，也能和互补场效应晶体管（CFET）这类把晶体管上下叠起来的新结构结合。

AI对算力的需求还在快速上升，硅基晶体管的性能提升却越来越难。晶体管缩到今天的尺寸，难点已经从制造精度变成了器件物理本身：沟道太短，电流就不好控制，漏电和功耗随之上升，继续缩小的成本和难度一起往上走。

需求端加速、供给端减速，这一缺口正是「二维半导体」作为新一代沟道材料的产业窗口。

按比利时微电子研究中心（以下简称imec）今年5月更新的路线图，二维材料大约在2041年前后进入最先进的逻辑芯片^[10]。听起来还远，但过去一年，这块拼图已经开始从实验室搬上晶圆——全球最大的晶圆代工厂台积电、光刻机龙头阿斯麦（ASML）都已参与其中，相关成果接连发布：

▶   2025年12月，imec与台积电合作的WSe₂ p型晶体管，最大驱动电流做到每微米690微安，创下纪录。

▶   2026年6月，imec联合阿斯麦（ASML）、台积电，在300毫米晶圆上同时做出了n型和p型二维晶体管，接触栅极间距50nm^[11]。300mm是今天先进逻辑产线的标准晶圆。

▶   2026年，东京大学、名古屋大学等团队直接在晶圆上长出MoS₂并做成晶体管，省掉了容易引入污染的材料转移环节。

▶   2026年9月，美国国家科学基金会推出ELEGANT计划，目标是把低维电子从实验室推向美国制造商^[12]。

▶   2026年10月，韩国科学技术院（KAIST）和初创公司TDS Innovation等在《自然》发表论文：在400个指定位置上生长二硫化钼，397个长出了单晶^[13][14]。TDS Innovation本身就是做二维半导体前驱体和沉积设备的公司。

我们对这个赛道有三个判断。

今年以来，讨论的焦点变成了这些问题：材料在整片晶圆上是否均匀，接触电阻能不能做低、做稳，n型和p型晶体管能不能配成互补电路，工艺能不能和现有产线兼容。n型、p型单管都已经做出来了，二维CMOS什么时候成熟，是接下来要回答的问题。

科研机构、先进制程研发团队、晶圆工程化平台和产业联合项目，现在就需要设备、材料和工艺服务。企业可以先服务这些客户，积累客户、工艺数据和产品迭代经验，再随着制造需求扩大逐步拓展市场。

产业支出正在从科研预算转向工程验证和中试线建设，收入会沿产业链依次出现。最早的是工艺开发、器件验证和测试服务，这些本身就可以计费；最晚的是设计工具和制造生态，但它们的终局空间最大。ASM走的就是前一条路：在芯片大规模采用新材料之前，先把沉积设备卖进了研发线。

三、最值得重点关注的，是平台型公司。

二维半导体的产业化，要求材料、器件、工艺、装备和制造验证一起推进。只提供一种材料或一种器件，很难单独走完从实验室到晶圆厂的路。能同时打通材料制备、器件开发、工艺验证、关键装备和中试平台，并把这些能力沉淀成可复用技术体系的公司，价值来自某一款产品，更来自它对整个行业研发和工程化的支撑。

imec是一个参照：2025年，它有超过6600名员工，和全球600多家产业伙伴合作，收入约12亿欧元。

过去二十年，中国芯片产业的主线是追赶：光刻机、先进制程、EDA，几乎每个环节都在补课。然而，二维半导体的情况不太一样。全球的产业化都才刚刚起步，中国团队的成果已经接连出现在《科学》（Science）等国际顶级期刊上：

▶   材料：晶圆级材料正从单晶向6英寸、8英寸乃至更大尺寸演进。南京大学团队今年1月在《科学》发表的氧辅助MOCVD技术，解决了二硫化钼量产化制备的生长动力学瓶颈^[15]。

▶   装备：MOCVD与CVD外延、沉积、转移、键合、刻蚀、检测等环节，都在形成新的国产设备需求。

▶   技术路线：中国科学院金属研究所还牵头参与了2026年发布的二维材料国际路线图^[16]。中国科研体系已经在参与定义全球技术路线。

美国也注意到了这一点。NSF在ELEGANT计划文件里直接提到，中国正在加大低维材料研究投入，并警告如果美国迟迟不能形成协调的国家战略，可能把微电子领域的领先地位让给中国^[17]。

这让二维半导体和过去的“国产替代”有所不同。国产的沉积设备、晶圆级材料和工艺平台，有机会从起步阶段就进入这条新赛道的供应链，不必在成熟市场里和海外巨头争夺存量份额。国内市场的体量也足够大：2025年，ASM超过三成的收入来自中国^[6]。

二维半导体的报道很多，口径差别也很大。同样是“300mm晶圆”，可能只是拿到了材料，可能是做出了晶体管，也可能已经形成可重复的制造流程。前文提到的imec成果属于第二种，三者之间的成熟度差得很远。每个阶段该看哪些指标，是我们完整报告的重点之一。

除此之外，完整报告中还呈现了这些判断：

▶   四个国家，四种打法：美国争技术定义权，日本争材料底座，韩国争先进制造兑现权，中国争工程化主导权。

▶   收入有先后：工艺与中试服务最早可以计费，设计工具与制造生态兑现最晚，但终局空间最大。

▶   最难复制的是工艺经验：缺陷从哪里来、参数怎么调、失效怎么补，这些很难写进专利，也很难靠一次实验复制。能把经验固化成稳定工艺窗口的企业，享有定价权。

▶   二维CMOS的主攻方向已经清晰：n型、p型单管都已做出，p型器件的接触工程是当前最清晰的突破口……

1999年ASM买下Microchemistry时，原子层沉积还只在大学和实验室里做评估，八年后才进入英特尔的产线。二维半导体正走在一条相似的路上。从关键材料、专用装备，到工艺平台、器件设计与制造生态，这条产业链上的每个环节都会有新的公司出现。最早的机会，很可能落在那些把二维材料送上晶圆的公司身上。