Ny halvlederteknik: donutformede lysbundter og modulære fotoniske chips

Halvledermaterialer er afgørende for elektroniske apparater og understøtter udviklingen inden for computerteknologi, kommunikation, energi, sundhed, transport, forsvar og mange andre områder. 

Den oprindelige artikel fra 2023 henviste til en daværende markedsprognose på 1,38 billioner amerikanske dollar i 2029, mod anslået 573,44 milliarder dollar i 2022. Tallene stammer fra en bestemt markedsanalyse og er hverken en sikker fremtidig omsætning eller en aktuel prognose.

Et kig på fremskridt inden for halvledere

Halvledere er materialer, hvis elektriske ledningsevne kan reguleres, eksempelvis med spænding, lys eller temperatur. Kontrolleret tilsætning af små mængder bestemte atomer kaldes dotering og ændrer de elektriske egenskaber. Silicium er et eksempel på et halvledende grundstof; der findes også sammensatte halvledermaterialer.

Det er på grund af halvledere, at vi har adgang til radioer, fjernsyn, smartphones, computere, videospil og avanceret medicinsk diagnostisk udstyr. Fremskridtene inden for halvlederteknologi gennem de mange årtier har gjort det muligt for disse elektroniske enheder at blive mindre, hurtigere, billigere og mere pålidelige.

Halvledermaterialer bruges blandt andet til transistorer og integrerede kredsløb. En halvleder er derfor ikke det samme som en mikrochip: materialet, den enkelte komponent og det færdige kredsløb er forskellige begreber. Teknologien har ændret kommunikation, transport, behandling og energianvendelse.

Som de grundlæggende byggesten i moderne teknologi fortsætter halvledere med at drive verdens mest betydningsfulde gennembrud og rummer enormt potentiale.

Forskningsområder omfatter halvlederstrukturer til visse typer kvantecomputere, neuromorfe chips, som efterligner aspekter af nervesystemet, siliciumfotonik til lysbaserede forbindelser og avanceret chipindkapsling. Ikke alle kvantecomputere bruger halvledere eller kræver samme temperatur.

Disse teknikker kan bidrage til kunstig intelligens (AI), som bliver stadig vigtigere i forskellige industrier. Halvledere kan hjælpe AI‑applikationer med at udføre komplekse opgaver mere effektivt. Halvledere har også et enormt potentiale inden for autonome køretøjer, intelligente billedbehandlingssystemer og vedvarende energisystemer.

Halvlederproduktion

Producenterne søger mindre, hurtigere eller mere energieffektive produkter til en overkommelig pris. Mindre transistorer kan give plads til flere funktioner på samme areal. Flere transistorer gør dog ikke automatisk en chip hurtigere; arkitektur, hukommelse, varme og software spiller også ind.

Moores lov beskriver den historiske tendens til, at antallet af transistorer i avancerede integrerede kredsløb blev omtrent fordoblet hvert andet år. Det er en empirisk observation, ikke en naturlov eller garanti for hver ny generation. Fortsat miniaturisering kræver mere kompliceret fremstilling.

Efterspørgslen kommer blandt andet fra computere, kommunikationsudstyr, telefoner, industri og køretøjer. AI, tingenes internet og førerassistentsystemer ændrer sammensætningen af markedet. Efterspørgslen er konjunkturfølsom og stiger ikke uafbrudt i alle segmenter. 

Nu betyder den voksende efterspørgsel, at halvledervirksomheder skal lægge større vægt på forskning og udvikling, øge funktionaliteten og opnå mere effektive produktionscyklusser. Disse krav har ført til betydelige udfordringer for industrien, hvor den største er, hvordan man kan levere mindre, mere kraftfulde chips til overkommelige omkostninger.

Desuden har innovationer øget kompleksiteten i fremstillingsprocesserne i halvlederindustrien. Denne stigning i kompleksitet kræver naturligvis mere effektive forsyningskæder, et behov der yderligere forstærkes af den stadigt stigende efterspørgsel fra AI‑virksomheder. Det kræver ikke kun et bredt spektrum af ydelseskapaciteter, men også kortere leveringstider.

Chipproduktion begynder med meget rene materialer og wafere. Gentagne trin med lagdeponering, litografi, ætsning og dotering danner kredsløbene. Derefter følger test, opskæring af waferne samt indkapsling og sammenkobling af chips.

Derfor må halvlederproducenter konfrontere udfordringer inden for materialehåndtering, genbrug og procesforbedringer, som er kritiske aspekter af deres drift. Men omfanget af deres udfordringer er ikke begrænset til dette; faktorer som geopolitik påvirker også i høj grad tilgængeligheden af ressourcer og handel, som eksemplificeret i sagen mellem USA og Kina.

I nogen tid nu har forsyningskædeproblemer faktisk været blandt de største udfordringer i branchen. Situationen kompliceres yderligere af faktorer som geopolitiske spændinger og handelskonflikter, med sorte svane‑begivenheder som pandemien, der forværrer problemet med chip‑tilgængelighed endnu mere.

Branchen har også behov for kvalificerede medarbejdere. Mangel på bestemte kompetencer kan hæmme forskning og produktion, selv når der investeres i nye anlæg.

Trods udfordringerne kommer der nye forskningsresultater. Deres industrielle betydning afhænger af pålidelighed, skalerbarhed og omkostninger.

Se oversigten over aktier i leverandører af udstyr til halvlederproduktion.

Donutformede lysbundter til billeder af nanostrukturer

I december 2023 beskrev CU Boulder en undersøgelse af meget små strukturer med donutformede lysbundter. Metoden kan støtte inspektion af nanoelektronik. Det er en konkret forbedring af ptykografi, ikke en erstatning for alle andre mikroskoper.

Ved ptykografi belyses prøven på overlappende positioner. En detektor registrerer spredningsmønstrene, og algoritmer rekonstruerer et billede. Det er ikke blot et fotografi af en skygge eller en direkte optagelse gennem en linse.

Ifølge seniorforsker Margaret Murnane var stærkt periodiske prøver vanskelige at afbilde med den tidligere fremgangsmåde, fordi de gentagne strukturer giver for lidt variation i mønstrene til en sikker rekonstruktion. 

Murnane arbejder ved JILA, som drives i fællesskab af CU Boulder og NIST. Regelmæssige nanostrukturer kan give spredningsmønstre, som algoritmerne har svært ved at skelne fra hinanden.

Forskerne fremstillede ekstremt ultraviolet lys og brugte en spiralformet faseplade til at danne en optisk hvirvel. På en plan overflade har lysbundtet en ringformet profil. Ved periodiske strukturer giver det mere brugbare mønstre til billedrekonstruktionen. 

Universitetets beskrivelse omtalte strukturer på omkring 10–100 nanometer. Mindre og mere følsomme objekter, herunder på længere sigt levende celler, var mål for videre forskning og ikke fuldt demonstrerede muligheder i dette forsøg.

Den ofte nævnte grænse på cirka 200 nanometer gælder konventionel mikroskopi med synligt lys under almindelige betingelser, ikke alle teknikker med linser. Undersøgelsen viste endnu ikke levende patogener i realtid. Det kræver yderligere udvikling.

Under de undersøgte betingelser kunne metoden skåne følsomme strukturer, som visse andre teknikker kan beskadige. Inspektion af polymerer til halvlederproduktion blev nævnt som en fremtidig mulighed. Skadefri måling er ikke garanteret for alle materialer, lysdoser og betingelser.

Metoden kan supplere eksisterende inspektion. Industriel kvalitetskontrol kræver fortsat vurdering af opløsning, målehastighed, prøvetyper og integration i produktionen.

Fotoniske chips med modulær opbygning

I endnu en ny undersøgelse kombinerede forskere fra University of Sydney og Australian National University elektroniske og fotoniske funktioner i et kompakt kredsløb til filtrering af radiofrekvente signaler. 

Arbejdet åbner ifølge forskerne muligheder for kompakte RF-fotoniske filtre med høj opløsning og et bredt indstillingsområde, blandt andet i kommunikationsudstyr på fly og satellitter. 

Det forklarede Moritz Merklein, seniorforsker og medforfatter på undersøgelsen.

Forskellige materialer og komponenter blev integreret på en siliciumchip, der var under 5 millimeter bred. Sammenligningen med Lego handler om modulær integration og avanceret indkapsling af chiplets, ikke om legetøj eller en ny måde at fremstille alle transistorer på.

Fremstilling af basiswaferne ved udenlandske chipfabrikker blev kombineret med lokal forskningsinfrastruktur og produktion. Denne kombination var vigtig for udviklingen af det fotoniske kredsløb. 

Alvaro Casas Bedoya, ansvarlig for fotonisk integration ved School of Physics, ledte chipdesignet.

Mulige anvendelser omfatter radar, satellitter, trådløse netværk og fremtidige generationer af telekommunikation. Henvisningerne til 6G og 7G i 2023 var fremtidsmuligheder, ikke dokumentation for, at sådanne netværk allerede brugte chippen.

Tilgangen kan styrke lokal design- og integrationskapacitet. Den fjerner ikke behovet for udenlandske chipfabrikker: udenlandske wafere indgik netop i metoden. 

University of Sydney oplyste et indstilleligt frekvensområde på 15 GHz med en spektral opløsning ned til 37 MHz. Tallene beskriver RF-filterets funktion, ikke processorhastighed eller dataoverførselshastighed.

Heterogen integration af chalcogenidglas med silicium kan understøtte frekvensvalg og dæmpning af interferens. Ben Eggleton satte resultatet i sammenhæng med mikrobølgefotonik og udviklingen af den lokale halvledersektor.

Chipdesignere, producenter og udstyrsleverandører 

Virksomhederne har forskellige roller. TSMC fremstiller chips for kunder, AMD designer chips og får dem fremstillet eksternt, mens Applied Materials og ASML leverer produktionsudstyr. Nedenstående aktie- og TTM-tal er historiske oplysninger fra artiklen i 2023, ikke aktuelle eller på ny kontrollerede værdiansættelser. TTM betyder de foregående tolv måneder; årets kursændringer gælder tidspunktet i 2023.

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

TSMC er en chipfabrik, som fremstiller integrerede kredsløb for kunder. Det historiske øjebliksbillede angav en markedsværdi på 523,56 milliarder dollar, en aktiekurs på 100,75 dollar og en stigning på 35,52 % siden begyndelsen af 2023. Det nævnte desuden TTM-omsætning på 68,86 milliarder dollar, indtjening pr. aktie på 5,36, P/E på 18,84 og et direkte afkast på 1,81 %. Det er ikke nutidige kurser eller nøgletal.

Ved udgivelsen i 2023 var N2 fortsat en udviklings- og produktionsplan. TSMC oplyser nu, at volumenproduktionen begyndte i fjerde kvartal 2025. Betegnelsen 2 nanometer er navnet på en procesgeneration, ikke den præcise størrelse af alle dele. De dengang nævnte projekter i Arizona, Japan og Tyskland havde forskellige tidsplaner og var ikke alle fuldt operationelle fabrikker.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Det historiske øjebliksbillede for AMD angav en markedsværdi på 217,13 milliarder dollar, en kurs på 133,52 dollar og en stigning på 107,52 % siden begyndelsen af 2023. TTM-omsætningen var angivet til 22,11 milliarder dollar, indtjening pr. aktie til 0,13 og intet udbytte. AMD designer chips med ekstern fremstilling. Tallene er ikke på ny kontrolleret som aktuelle.

AMD lancerede Instinct MI300X-acceleratorerne og MI300A-processorerne den 6. december 2023 til AI og højtydende computere. De konkurrerede blandt andet med produkter fra Nvidia (NVDA ). Den tidligere angivelse af omkring 80 % var et datidigt skøn over markedsandelen, ikke et aktuelt bekræftet tal. ChatGPT og DALL-E er eksempler på generativ AI; omtalen dokumenterer ikke, at tjenesterne bruger de nævnte AMD-chips. Skønnet på 400 milliarder dollar i 2027 gjaldt det forventede samlede adresserbare marked, ikke AMD’s omsætning eller et garanteret resultat.

3. Applied Materials, Inc. 

Applied Materials leverer produktionsudstyr, service og software. Det historiske øjebliksbillede angav en markedsværdi på 129,78 milliarder dollar, en kurs på 156,50 dollar og en stigning på 59,3 % siden begyndelsen af 2023. Desuden nævnte det TTM-omsætning på 26,51 milliarder dollar, indtjening pr. aktie på 8,11, P/E på 19,12 og direkte afkast på 0,83 %. Det er gamle oplysninger, ikke aktuelle, nykontrollerede værdier.

Applied Materials (AMAT ) blev i 2023 omtalt i forbindelse med undersøgelser af visse leverancer til Kina. Den 11. februar 2026 annoncerede selskabet et forlig med BIS på 252,5 millioner dollar om eksportregler. Det oplyste også, at DOJ og SEC havde afsluttet deres relaterede undersøgelser uden tiltag. Det gamle strafferetlige efterforskningsforløb bør derfor ikke beskrives som igangværende. Eksportreglerne er heller ikke et generelt forbud mod alle chips og alt udstyr til Kina. Engineeringcentret i Bangalore, annonceret i juni 2023, var en planlagt investering på 400 millioner dollar over fire år, ikke et beløb, der allerede var fuldt brugt.

4. ASML Holding NV 

ASML leverer litografisystemer til chipproducenter som TSMC, Samsung og Intel (INTC ). Det gamle øjebliksbillede angav en markedsværdi på 286,32 milliarder dollar, en kurs på 714,42 dollar og en stigning på 30 % siden begyndelsen af 2023. TTM-omsætningen var angivet til 28,871 milliarder, indtjening pr. aktie til 20,42, P/E til 34,78 og direkte afkast til 0,91 %. Valuta, aktieform og måledato skal kontrolleres samlet; tallene er ikke aktuelle, nyverificerede forholdstal.

For tredje kvartal 2023 rapporterede ASML et nettoresultat på 1,893 milliarder euro og en omsætning på 6,673 milliarder euro. Overskud og omsætning er forskellige størrelser. Peter Wennink, som dengang var administrerende direktør, talte om forventningen om et konjunkturvendepunkt mod slutningen af 2023. Udtalelsen er historisk, ikke en aktuel prognose.

Konklusion

Halvledermaterialer og komponenterne fremstillet af dem understøtter mange apparater. Nye billedmetoder og fotonisk integration kan bidrage til bedre chips. Hvert forsøg fører dog ikke automatisk til mindre, hurtigere eller mere energieffektive produkter: reproducerbarhed, fremstillingspris, design og praktisk ydelse er fortsat afgørende.