Semiconductors Vooruitstrevend – Kunnen ‘Donut’-stralen en ‘Lego’-blokken de industrieaanpak opschudden?

Een essentieel onderdeel van elektronische apparaten, halfgeleiders hebben zich verweven in het weefsel van ons dagelijks bestaan. Deze kleine maar krachtige elementen vormen de hoeksteen van moderne technologie en drijven innovaties in computing, communicatie, schone energie, gezondheidszorg, transport, militaire systemen en talloze andere kritieke toepassingen. 

In een opvallend bewijs van hun alomtegenwoordige invloed wordt verwacht dat de omvang van de wereldwijde halfgeleidermarkt zal groeien tot $1.38 trillion by 2029, een stijging ten opzichte van $573.44 billion in 2022.

Een Blik op de Vooruitgang van Halfgeleiders

Halfgeleiders zijn materialen die elektriciteit beter geleiden dan een isolator, maar minder dan een zuivere geleider. Deze materialen, die zowel zuivere elementen als verbindingen kunnen zijn, ondergaan een aanzienlijke verandering in geleidbaarheid wanneer er kleine hoeveelheden onzuiverheden aan worden toegevoegd.

Het is dankzij halfgeleiders dat we toegang hebben tot radio’s, tv’s, smartphones, computers, videogames en geavanceerde medische diagnostische apparatuur. De vooruitgang in halfgeleidertechnologie gedurende de afgelopen decennia heeft deze elektronische apparaten kleiner, sneller, goedkoper en betrouwbaarder gemaakt.

Ook wel geïntegreerde schakelingen (IC’s) of microchips genoemd, hebben halfgeleiders de manier waarop we leven getransformeerd, met impact op hoe we werken, communiceren, reizen, ziekten behandelen, ons vermaken en energie benutten.

Als de fundamentele bouwstenen van moderne technologie blijven halfgeleiders de belangrijkste doorbraken van de wereld aandrijven en hebben ze een enorm potentieel.

Enkele van de meest opwindende innovaties in de halfgeleiderindustrie omvatten quantumcomputing, die nieuwe soorten halfgeleiders vereist die bij lage temperaturen werken; neuromorfe computing, gericht op het ontwikkelen van computerchips die de structuur en functie van het menselijk brein nabootsen voor intelligente machines; siliconenfotoniciteit, die licht gebruikt om gegevens tussen computerchips over te dragen; en geavanceerde verpakking, essentieel voor de ontwikkeling van high‑performance elektronische apparaten.

Deze geavanceerde halfgeleideroplossingen zullen een sleutelrol spelen in Artificial Intelligence (AI), die steeds belangrijker wordt in diverse sectoren. Halfgeleiders kunnen AI‑toepassingen helpen complexere taken efficiënter uit te voeren. Ze hebben ook enorm potentieel in autonome voertuigen, intelligente beeldverwerkende systemen en hernieuwbare energiesystemen.

Halfgeleiderproductie

In de halfgeleiderindustrie ligt de focus op het creëren van kleinere, snellere en goedkopere producten, een doel dat direct verband houdt met het principe dat hoe kleiner iets is, hoe meer vermogen er op dezelfde chip kan worden geplaatst. Deze compactheid is cruciaal omdat hoe meer transistoren er op een chip zitten, hoe sneller deze werkt.

Dit is waar Moore’s Law in beeld komt, aangezien het stelt dat “het aantal transistoren in een dichte geïntegreerde schakeling ongeveer elke twee jaar verdubbelt.” Dit benadrukt de druk op chipfabrikanten om voortdurend te innoveren en meer efficiënte en goedkopere halfgeleiders te leveren, terwijl ze kwaliteitscontrole en snelle beschikbaarheid van het product voor verkoop waarborgen.

Het grootste deel van de vraag naar de halfgeleiderindustrie komt van smartphones en industriële apparatuur, maar de opkomst van AI, het IoT en autonome voertuigen hebben het vooruitzicht van de sector veranderd. 

Nu vereist de groeiende vraag dat halfgeleiderbedrijven meer nadruk leggen op onderzoek en ontwikkeling, functionaliteit vergroten en productieprocessen efficiënter maken. Deze eisen hebben geleid tot aanzienlijke uitdagingen voor de sector, waarbij de grootste uitdaging is hoe kleinere, krachtigere chips tegen betaalbare kosten kunnen worden geleverd.

Daarnaast hebben innovaties de complexiteit van productieprocessen in de halfgeleiderindustrie vergroot. Deze toename in complexiteit vraagt vanzelfsprekend om efficiëntere toeleveringsketens, een noodzaak die nog verder wordt versterkt door de steeds toenemende vraag van AI‑bedrijven. Dit vereist niet alleen een breed scala aan prestatie‑mogelijkheden, maar ook kortere levertijden.

De productie van halfgeleiderchips omvat het zuiveren van de wafer, het opbouwen van meerdere lagen om geïntegreerde schakelingen te creëren, en vervolgens de assemblage en verpakking van meerdere componenten tot het eindproduct.

Daarom moeten halfgeleiderfabrikanten de uitdaging van materiaalbehandeling, recycling en procesverbeteringen aangaan, die kritieke aspecten van hun operaties zijn. Maar de reikwijdte van hun uitdagingen beperkt zich niet alleen tot dit; factoren zoals geopolitiek beïnvloeden ook sterk de beschikbaarheid van grondstoffen en handel, zoals geïllustreerd in het geval van de VS en China.

Al geruime tijd behoren problemen in de toeleveringsketen tot de topkwesties in de sector. Deze situatie wordt verder gecompliceerd door factoren zoals geopolitieke spanningen en handelsgeschillen, waarbij black‑swan‑gebeurtenissen zoals de pandemie het probleem van chipbeschikbaarheid nog meer hebben verergerd.

Naast deze uitdagingen moet de sector ook omgaan met de groeiende kloof tussen de vraag naar gekwalificeerde professionals en de beschikbaarheid van geschikt personeel. Gezien de intense concurrentie en het snelle tempo van vooruitgang in de sector, is een tekort aan talent en een vaardighedenkloof niet verrassend.

Ondanks al deze uitdagingen blijft de sector echter bloeien. Doorbraken die de toekomst kunnen transformeren gebeuren voortdurend, wat de veerkracht en innovatieve geest van de sector laat zien.

Klik hier voor de lijst van de beste halfgeleiderapparatuuraandelen voor productiesupport.

‘Donut’-stralen maken het mogelijk om ongelooflijk kleine objecten te bekijken

Deze maand heeft een nieuwe studie gedetailleerde beelden gemaakt van kleine objecten met behulp van donutvormige lichtstralen, wat niet mogelijk zou zijn geweest met traditionele microscopen. De studie werd uitgevoerd door onderzoekers van CU Boulder en wordt verwacht wetenschappers te helpen de basisdetails van een reeks “nano‑electronics” te verbeteren, inclusief mini‑halfgeleiders die in computerchips worden gevonden.

Dit is de nieuwste vooruitgang op het gebied van ptychografie, een computationele beeldvormingstechniek voor microscopisch onderzoek. Ptychografietools, in tegenstelling tot traditionele microscopen, bekijken zeer kleine objecten niet direct; ze schijnen in plaats daarvan lasers op een doelwit en meten vervolgens hoe het licht wordt verstrooid.

Volgens de senior auteur van de studie, Margaret Murnane, faalde deze aanpak tot recent, hoewel hij goed werkte, “volledig voor sterk periodieke monsters, of objecten met een regelmatig herhalend patroon”, omdat het nano‑electronics omvat.

Murnane, een fellow bij JILA – een gezamenlijk onderzoeksinstituut van CU Boulder en NIST – legde de uitdagingen uit waarmee wetenschappers worden geconfronteerd bij het gebruik van ptychografie om de structuren van sommige halfgeleiders te bekijken. Deze structuren, bestaande uit atomen zoals silicium die in ongelooflijk uniforme kleine rasters zijn gerangschikt, vormen moeilijkheden vanwege hun gebrek aan variatie.

Daarom creëerden de onderzoekers in de nieuwe studie stralen van extreem ultraviolet licht in plaats van reguliere lasers in hun microscopen om schaduwpoppetjes te maken. Vervolgens gebruikten ze een spiraalvormige faseplaat om hun vorm in donuts te draaien, en wanneer deze stralen van herhalende structuren werden weerkaatst, waren de schaduwpoppetjes veel complexer dan die van traditionele lasers. Dit maakte het mogelijk om nauwkeurig beelden van kleine en delicate structuren te verzamelen. 

Deze structuren zijn ongeveer 10 tot 100 nanometer groot, en in de toekomst verwacht het team nog kleinere structuren te kunnen bekijken. Het idee is om deze donutstrategie nog nauwkeuriger te maken, waardoor het team nog fragielere objecten kan zien, misschien zelfs biologische cellen, op een dag.

Tot nu toe konden beeldvormingsinstrumenten met lenzen slechts een resolutie van ongeveer 200 nanometer bereiken, waardoor wetenschappers veel virussen niet nauwkeurig konden vastleggen. Maar nu, met dit onderzoek, zijn de fundamentele grenzen van microscopen verlegd, en zullen wetenschappers in de toekomst deze pathogenen in realtime kunnen vastleggen. “In plaats van een lens te gebruiken om het beeld te verkrijgen, gebruiken we algoritmen,” zei ze.

Bovendien beschadigen de stralen de kleine elektronica niet tijdens het proces en kunnen ze daarom worden gebruikt “om de polymeren die worden gebruikt om halfgeleiders te maken en te printen te inspecteren op defecten, zonder die structuren te beschadigen,” zei Murnane.

Al met al heeft deze nieuwe studie een groot potentieel om de halfgeleiderindustrie te beïnvloeden door de inspectie van nano‑elektronische componenten te verbeteren met nauwkeurigere kwaliteitscontrole. Dit kan onderzoekers ook in staat stellen delicate halfgeleiderstructuren te inspecteren zonder hun integriteit in gevaar te brengen. Naarmate de ptychografietechnieken verder evolueren, zouden we meer veelzijdige beeldvormingsmethoden voor halfgeleideronderzoek en -ontwikkeling kunnen zien.

Fotonicachips die het halfgeleiderlandschap zullen “herdefiniëren”

In nog een nieuwe studie hebben onderzoekers van de nanowetenschapsfaciliteit van het University of Sydney Nano Institute, in samenwerking met wetenschappers van de Australian National University, een nieuw halfgeleiderarchitectuur ontworpen waarin ze elektronica met fotonen integreerden om de bandbreedte en filtercontrole uit te breiden. Dit betekent dat meer informatie door de chip kan stromen terwijl geavanceerde filtercontroles mogelijk zijn. 

“Dit werk effent de weg voor een nieuwe generatie compacte, hoge‑resolutie RF‑fotonicafilters met brede frequentie‑tuneerbaarheid, met name voordelig voor lucht- en ruimte‑RF‑communicatie‑payloads, en opent mogelijkheden voor verbeterde communicatie‑ en detectiecapaciteiten.” 

– zei Dr. Moritz Merklein, senior research fellow en co‑auteur van de studie

Om deze chip te bouwen, maakten de onderzoekers gebruik van een opkomende technologie in siliconenfotoniciteit, waarmee ze diverse systemen op halfgeleiders van minder dan 5 millimeter breed konden integreren, wat vergelijkbaar is met het in elkaar zetten van Lego‑bouwblokken. Op deze manier kan een schaalbare en modulaire benadering van chipontwerp worden geboden, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstaan voor het creëren van complexe en zeer efficiënte halfgeleiderapparaten.

“Het gecombineerde gebruik van buitenlandse halfgeleiderfoundries voor het maken van de basischip‑wafer met lokale onderzoeksinfrastructuur en productie is van vitaal belang geweest bij de ontwikkeling van dit fotonisch geïntegreerde circuit.” 

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, Associate Director for Photonic Integration in the School of Physics

Deze nieuwe compacte silicium‑halfgeleiderchip vergroot de radio‑frequentie (RF) bandbreedte aanzienlijk en kan de door de eenheid stroomende informatie nauwkeurig regelen. De toepassingen zijn te zien in geavanceerde radar, draadloze netwerken, satellieten en de uitrol van 6G‑ en 7G‑telecommunicatie. Bovendien betekent dit dat apparaten zich kunnen aanpassen aan diverse toepassingen, waardoor ze bruikbaar zijn in een breed scala aan scenario’s.

Volgens de onderzoekers kan dit verbeterde vermogen verder bijdragen aan geavanceerde soevereine productie en de creatie van high‑tech waardetoevoegende fabrieken zonder uitsluitend te vertrouwen op internationale fabrikanten. 

Deze uitvinding, volgens Pro‑Vice‑Chancellor Professor Ben Eggleton, is een significante vooruitgang in het onderzoek naar microwave‑fotoniciteit en geïntegreerde fotoniciteit. De chip heeft de mogelijkheid om een bandbreedte van 15 gigahertz aan tunbare frequenties te bieden met een indrukwekkende spectrale resolutie.

Hij legde uit hoe “microwave‑fotoniciteit een cruciale rol speelt in moderne communicatie‑ en radartoepassingen, door de flexibiliteit te bieden om verschillende frequenties nauwkeurig te filteren, elektromagnetische interferentie te verminderen en de signaalkwaliteit te verbeteren.” Bovendien, door geavanceerde functionaliteiten te integreren in halfgeleiderchips (chalcogeen‑glas met silicium), gelooft Eggleton dat het “het lokale halfgeleiderlandschap kan herdefiniëren.” 

Top Halfgeleiderfabrikanten 

Aangezien er zoveel gaande is in de halfgeleiderindustrie, laten we nu een kijkje nemen naar enkele van de vooraanstaande halfgeleiderfabrikanten:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

De grootste halfgeleiderfoundry ter wereld is bezig met de productie van geïntegreerde schakelingen namens klanten. Met een marktkapitalisatie van $523.56 billion worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $100.75, een stijging van 35.52% dit jaar. TSM’s revenue (TTM) has been $68.86 bln, EPS (TTM) of 5.36, and P/E (TTM) of 18.84 while it offers a dividend yield of 1.81%.

TSMC is momenteel op koers voor massaproductie van zijn N2 (2 nanometres) chips, die volgens het bedrijf “de meest geavanceerde halfgeleidertechnologie in de industrie zullen zijn op het gebied van zowel dichtheid als energie‑efficiëntie wanneer ze worden geïntroduceerd.” De halfgeleiderfabrikant werkt ook aan zijn wereldwijde uitbreiding, die begon met een nieuwe faciliteit in Arizona een paar jaar geleden en nu ook Japan en Duitsland omvat.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Dit wereldwijde halfgeleiderbedrijf heeft een marktkapitalisatie van $217.13 billion en de aandelen worden verhandeld tegen $133.52, een stijging van 107.52% dit jaar. AMD’s revenue (TTM) has been $22.11 bln, and EPS (TTM) of 0.13, but no dividend is offered.

Onlangs heeft Advanced Micro zijn nieuwe AI chips uit de langverwachte MI300 reeks onthuld om de vlaggenschip AI processors van Nvidia (NVDA ), die ongeveer 80% van de AI chip market controls, uit te dagen. Deze nieuwe chips zijn ontworpen voor supercomputers en voor generative AI applications zoals ChatGPT en Dall-E. Het bedrijf heeft ook de forecast voor zijn addressable market voor AI chips raised tot $400 billion in de next four years.

3. Applied Materials, Inc. 

Het bedrijf, een leider in het leveren van productieapparatuur, diensten en software aan de halfgeleiderindustrie, heeft een marktkapitalisatie van $129.78 billion. De shares of the largest semiconductor equipment maker in the US are currently trading at $156.50, marking an impressive upswing of 59.3% this year. Financially, AMAT has reported a revenue (TTM) of $26.51 billion, an EPS (TTM) of 8.11, and a P/E (TTM) of 19.12, alongside offering a dividend yield of 0.83%.

Echter, Applied Materials (AMAT ) bevindt zich momenteel in uitdagende wateren, aangezien het onder een Amerikaanse strafrechtelijke onderzoek staat wegens vermeende verzending van apparatuur naar China’s top chipmaker SMIC, mogelijk om exportbeperkingen te omzeilen. Deze situatie ontstaat te midden van het verbod van de Amerikaanse regering op zowel geavanceerde chipleveringen als op apparatuur naar China. In een stap die haar wereldwijde ambities en strategische uitbreiding signaleert, kondigde het bedrijf eerder dit jaar aan $400 million te investeren over vier jaar om een gezamenlijk ingenieurscentrum in India op te richten.

4. ASML Holding NV 

Het in Nederland gevestigde ASML levert geavanceerde lithografiesystemen die door chipfabrikanten zoals TSMC, Samsung en Intel (INTC ) worden gebruikt om circuits toe te voegen aan siliciumwafers. Het heeft een marktkapitalisatie van $286.32 bln while its shares trade at $714.42, up 30% YTD with its revenue (TTM) recorded at 28.871B, EPS (TTM) of 20.42, and P/E (TTM) of 34.78. The dividend yield offered is 0.91%.

Het bedrijf rapporteerde onlangs Q3 earnings of just over $2 bln, with CEO Peter Wennink saying, “The semiconductor industry is currently working through the bottom of the cycle, and our customers expect the inflection point to be visible by the end of this year.”

Conclusie

Halfgeleiders zijn een cruciaal onderdeel van apparaten die integraal deel uitmaken van ons leven. Ze vormen feitelijk de ruggengraat van de bloeiende technologiesector. En naarmate de vraag naar halfgeleiders blijft stijgen, leidt dit tot nog kleinere, snellere en energie‑efficiëntere chips. Al deze vooruitgang en innovatie zullen vervolgens de ontwikkeling van nieuwe soorten apparaten en toepassingen mogelijk maken die voorheen onmogelijk waren!