Nieuwe halfgeleidertechniek: donutbundels en modulaire fotonische chips

Halfgeleiders zijn onmisbaar in elektronische apparaten. Ze ondersteunen vernieuwingen in computertechnologie, communicatie, energie, gezondheidszorg, vervoer en tal van andere toepassingen. 

Het oorspronkelijke artikel uit 2023 verwees naar een toenmalige marktraming van 1,38 biljoen dollar in 2029, tegenover een geschatte 573,44 miljard dollar in 2022. Dit zijn cijfers uit een specifieke marktstudie, geen vaststaande toekomstige omzet of actuele raming.

Ontwikkelingen in halfgeleidertechnologie

Halfgeleiders zijn materialen waarvan de elektrische geleiding regelbaar is, bijvoorbeeld met spanning, licht of temperatuur. Gerichte toevoeging van kleine hoeveelheden andere atomen heet doteren en verandert de elektrische eigenschappen. Silicium is een bekend voorbeeld; er bestaan ook samengestelde halfgeleiders.

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.

Halfgeleidermaterialen worden onder meer gebruikt om transistoren en geïntegreerde schakelingen te maken. Een halfgeleider is dus niet hetzelfde als een microchip: het materiaal, de afzonderlijke componenten en de complete schakeling zijn verschillende begrippen. De technologie heeft communicatie, vervoer, geneeskunde en energiegebruik sterk beïnvloed.

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

Onderzoeksrichtingen zijn onder meer halfgeleiderstructuren voor bepaalde quantumcomputers, neuromorfe chips die aspecten van zenuwnetwerken nabootsen, siliciumfotonica voor lichtverbindingen en geavanceerde chipverpakking. Niet elke quantumcomputer werkt met halfgeleiders, en niet iedere toepassing vereist dezelfde temperatuur.

Deze technieken kunnen bijdragen aan kunstmatige intelligentie (AI) en aan toepassingen zoals voertuigbesturing, beeldverwerking en energiesystemen. De prestaties hangen af van de architectuur, software, energievoorziening en koeling.

Halfgeleiderproductie

Fabrikanten streven naar kleinere, snellere of energiezuinigere producten tegen haalbare kosten. Kleinere transistoren kunnen meer functies op dezelfde oppervlakte mogelijk maken. Meer transistoren betekent echter niet automatisch dat een chip sneller is; ontwerp, geheugen, warmte en software zijn eveneens bepalend.

De wet van Moore beschrijft de historische trend dat het aantal transistoren op geavanceerde geïntegreerde schakelingen ongeveer elke twee jaar toenam met een factor twee. Het is een empirische trend, geen natuurwet of garantie voor iedere chipgeneratie. Verdere schaalverkleining vraagt steeds complexere productie.

Vraag komt uit onder meer computers, communicatieapparatuur, smartphones, industrie en voertuigen. AI, het internet der dingen en rijhulpsystemen veranderen de productmix. De vraag is cyclisch en groeit niet in elk segment voortdurend. 

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.

Chipproductie begint met uiterst zuiver materiaal en wafers. Herhaalde stappen zoals laagdepositie, lithografie, etsen en doteren vormen de schakelingen. Daarna volgen testen, het opdelen van wafers en het verpakken en verbinden van de chips.

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 deze uitdagingen verschijnen er nieuwe onderzoeksresultaten. Hun betekenis voor industriële productie hangt af van betrouwbaarheid, schaalbaarheid en kosten.

Bekijk het overzicht van aandelen in apparatuur voor halfgeleiderproductie.

Donutvormige lichtbundels voor beelden van nanostructuren

In december 2023 beschreef CU Boulder een onderzoek naar beeldvorming van kleine structuren met donutvormige lichtbundels. De techniek kan helpen bij de inspectie van nano-elektronica. Het gaat om een specifieke verbetering van ptychografie, niet om het overbodig maken van alle andere microscopen.

Bij ptychografie wordt een monster op overlappende posities belicht. Een detector meet de verstrooiingspatronen; algoritmen reconstrueren daaruit een beeld. Het is dus geen gewone foto van een schaduw en ook geen directe waarneming met een lens.

Volgens onderzoeksleider Margaret Murnane hadden sterk periodieke monsters een probleem gevormd: de herhalende patronen leveren te weinig variatie voor een betrouwbare reconstructie met de gebruikelijke belichting.

Murnane werkt bij JILA, het gezamenlijke instituut van CU Boulder en NIST. Regelmatige nanostructuren, zoals rasters in bepaalde materialen en elektronische componenten, kunnen lastig te onderscheiden verstrooiingspatronen opleveren.

De onderzoekers maakten extreem-ultraviolette lichtbundels en gebruikten een spiraalfaseplaat om een optische wervel te vormen. De bundel heeft bij belichting van een vlak een ringvormig profiel. Dit levert bij periodieke structuren bruikbaardere patronen op voor de reconstructie. 

De universitaire publicatie beschreef structuren van ongeveer 10 tot 100 nanometer. Kleinere en kwetsbaardere objecten, waaronder uiteindelijk levende cellen, waren doelen voor verder onderzoek. Dat is geen bewezen actuele mogelijkheid om alle zulke objecten te filmen.

De vaak genoemde grens van ongeveer 200 nanometer geldt voor conventionele zichtbare-lichtmicroscopie onder gebruikelijke omstandigheden, niet voor alle technieken met lenzen. De studie maakte nog geen realtimebeelden van levende ziekteverwekkers. Daarvoor zijn verdere ontwikkelingen nodig.

In de onderzochte omstandigheden kon de aanpak kwetsbare structuren sparen die bij bepaalde andere technieken beschadigd raken. Inspectie van polymeren voor halfgeleiderproductie werd als toekomstige toepassing genoemd. Schadevrij meten is geen onvoorwaardelijke eigenschap voor ieder materiaal en iedere dosis.

De methode kan een aanvulling worden op bestaande inspectietechnieken. Industriële kwaliteitscontrole vergt verdere beoordeling van resolutie, meetsnelheid, monsters en integratie in de productie.

Fotonische chips met een modulaire opbouw

In een andere studie combineerden onderzoekers van de Universiteit van Sydney en de Australian National University elektronische en fotonische functies. Zo konden zij radiofrequente signalen filteren in een compacte geïntegreerde schakeling. 

Medeauteur Moritz Merklein zag mogelijkheden voor compacte, nauwkeurig instelbare RF-fotonische filters, onder meer voor communicatieapparatuur in vliegtuigen en satellieten. 

Dit waren voorgestelde toepassingen, geen bewijs dat alle genoemde systemen al waren uitgerold.

De onderzoekers integreerden verschillende materialen en componenten op een siliciumchip van minder dan 5 millimeter breed. De vergelijking met Lego slaat op modulaire integratie en geavanceerde verpakking van chiplets, niet op letterlijk speelgoed of een volledig nieuwe manier om alle transistoren te maken.

Voor de basiswafers werden buitenlandse chipfabrieken gecombineerd met lokale onderzoeks- en productiefaciliteiten. De lokale meerwaarde zat onder meer in de integratie. 

Alvaro Casas Bedoya, verantwoordelijk voor fotonische integratie aan de School of Physics, leidde het chipontwerp.

Mogelijke toepassingen waren radar, satellieten, draadloze netwerken en toekomstige generaties telecommunicatie. De verwijzingen naar 6G en 7G in de publicatie uit 2023 waren toekomstverwachtingen, geen reeds ingevoerde netwerken.

De aanpak kan lokale ontwerp- en integratieactiviteiten ondersteunen. Zij maakt buitenlandse foundries niet overbodig: juist de combinatie van buitenlandse wafers en lokale verwerking was onderdeel van het experiment. 

De Universiteit van Sydney meldde een instelbaar frequentiebereik van 15 GHz met een spectrale resolutie tot 37 MHz. Deze getallen beschrijven de RF-filterfunctie; 15 GHz is hier geen processorsnelheid of datadoorvoersnelheid.

De heterogene integratie van chalcogenideglas met silicium kan frequentieselectie en storingsonderdrukking ondersteunen. Ben Eggleton plaatste dit in de context van microgolffotonica en mogelijke versterking van de lokale halfgeleidersector. 

Chipontwerpers, fabrikanten en leveranciers van productieapparatuur 

Deze ondernemingen hebben verschillende rollen. TSMC produceert chips voor klanten, AMD ontwerpt chips en laat ze fabriceren, en Applied Materials en ASML leveren productieapparatuur. De onderstaande beurs- en TTM-cijfers zijn historische gegevens uit het artikel van 2023, geen actuele of opnieuw geverifieerde waarderingen. TTM betekent de voorafgaande twaalf maanden; “dit jaar” slaat hier op de toenmalige stand van 2023.

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

TSMC produceert geïntegreerde schakelingen voor klanten. Het oorspronkelijke momentbeeld vermeldde een beurswaarde van 523,56 miljard dollar, een koers van 100,75 dollar en een koersstijging van 35,52% sinds begin 2023. Verder noemde het 68,86 miljard dollar TTM-omzet, 5,36 dollar winst per aandeel, een koers-winstverhouding van 18,84 en een dividendrendement van 1,81%. Deze cijfers zijn geen huidige noteringen.

N2 was bij publicatie in 2023 nog een ontwikkelings- en productieplan. TSMC meldt inmiddels dat de volumeproductie in het vierde kwartaal van 2025 is gestart. “2 nanometer” is de naam van een procesgeneratie en betekent niet dat ieder onderdeel precies 2 nanometer meet. De destijds genoemde uitbreiding naar Arizona, Japan en Duitsland betrof projecten met verschillende tijdlijnen, niet overal reeds volledig operationele fabrieken.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Voor AMD gaf het historische momentbeeld een beurswaarde van 217,13 miljard dollar, een koers van 133,52 dollar en een stijging van 107,52% sinds begin 2023. Het vermeldde 22,11 miljard dollar TTM-omzet, 0,13 dollar winst per aandeel en geen dividend. AMD is een chipontwerper met uitbestede productie; deze oude cijfers zijn niet opnieuw als actuele waarden vastgesteld.

AMD introduceerde op 6 december 2023 de Instinct MI300X-versnellers en MI300A-processors voor AI en krachtige computers. Zij concurreerden onder meer met producten van Nvidia (NVDA ). Het oude aandeel van circa 80% was een toenmalige marktschatting, geen actueel vastgesteld percentage. ChatGPT en DALL-E illustreren generatieve AI; de vermelding bewijst niet dat deze diensten de genoemde AMD-chips gebruiken. De raming van 400 miljard dollar voor 2027 betrof een toen verwachte totale bereikbare markt, niet AMD-omzet of een gegarandeerd resultaat.

3. Applied Materials, Inc. 

Applied Materials levert productieapparatuur, diensten en software. Het historische momentbeeld vermeldde 129,78 miljard dollar beurswaarde, 156,50 dollar koers en 59,3% koersstijging sinds begin 2023. Verder gaf het 26,51 miljard dollar TTM-omzet, 8,11 dollar winst per aandeel, een koers-winstverhouding van 19,12 en 0,83% dividendrendement. Dit zijn oude, niet opnieuw geverifieerde gegevens.

Applied Materials (AMAT ) werd in 2023 in verband gebracht met onderzoek naar bepaalde leveringen aan China. De onderneming meldde op 11 februari 2026 een schikking van 252,5 miljoen dollar met BIS over exportregels en dat DOJ en SEC hun gerelateerde onderzoeken zonder maatregelen hadden gesloten. Het oude strafrechtelijke onderzoek mag daarom niet als lopend worden beschreven. De regels zijn bovendien geen algemeen verbod op alle chips of apparatuur voor China. Het in juni 2023 aangekondigde engineeringcentrum in Bangalore kende een investeringsplan van 400 miljoen dollar over vier jaar; dat was geen bedrag dat toen al volledig was uitgegeven.

4. ASML Holding NV 

ASML levert lithografiesystemen aan chipfabrikanten zoals TSMC, Samsung en Intel (INTC ). Het oude momentbeeld noemde 286,32 miljard dollar beurswaarde, 714,42 dollar koers en 30% koersstijging sinds begin 2023. Het vermeldde daarnaast 28,871 miljard TTM-omzet, 20,42 winst per aandeel, een koers-winstverhouding van 34,78 en 0,91% dividendrendement. Valuta, aandelenvorm en meetdatum moeten samen worden gecontroleerd; dit zijn geen actuele geverifieerde verhoudingen.

ASML rapporteerde over het derde kwartaal van 2023 een nettowinst van 1,893 miljard euro en een omzet van 6,673 miljard euro. Dat is kwartaalwinst, geen jaaromzet. Peter Wennink sprak toen als bestuursvoorzitter over de verwachte conjunctuuromslag tegen eind 2023. Zijn uitspraak is historische duiding, geen actuele prognose.

Conclusie

Halfgeleidermaterialen en de componenten die ermee worden gemaakt ondersteunen een breed scala aan toepassingen. Nieuwe beeldvorming en fotonische integratie kunnen bijdragen aan betere chips. Snellere, kleinere of zuinigere producten volgen echter niet automatisch uit elk experiment: reproduceerbaarheid, fabricagekosten, ontwerp en praktische prestaties blijven bepalend.