Halfgeleider: het materiaal achter elke chip
Een halfgeleider is een materiaal dat stroom soms wel en soms niet doorlaat, afhankelijk van hoe je het aanstuurt. Vergelijk het met een lichtschakelaar die je kunt bijsturen: normaal is een schakelaar aan of uit, maar bij halfgeleidermateriaal kun je met een klein stuurstroompje of stuurspanning precies bepalen hoeveel stroom er doorheen gaat. Die eigenschap maakt het mogelijk om er piepkleine schakelaars van te bouwen die we transistors noemen.
Vrijwel elk elektronisch apparaat om je heen — van je telefoon en laptop tot je wasmachine en auto — bevat chips die zijn opgebouwd uit miljarden van dit soort halfgeleiderschakelaars. Het meest gebruikte basismateriaal is silicium, gewonnen uit gewoon zand, dat in extreem zuivere vorm wordt gekweekt tot kristallen. Halfgeleidertechnologie is daarmee letterlijk de bouwsteen van het digitale tijdperk.
Wat is het precies?
Om te begrijpen waarom silicium zo bijzonder is, helpt het om te kijken naar hoe stroom door materialen loopt. Metalen zoals koper geleiden stroom altijd goed: het zijn geleiders. Materialen zoals glas of rubber laten vrijwel geen stroom door: dat zijn isolatoren. Een halfgeleider zit daar precies tussenin, en dat is meteen de crux: je kunt de geleiding aan- of uitzetten.
Puur silicium geleidt op zichzelf nauwelijks stroom. Fabrikanten voegen daarom met opzet minieme hoeveelheden andere elementen toe, een proces dat doping heet. Voeg je fosfor toe, dan ontstaan er extra vrije elektronen (negatief geladen deeltjes) en krijg je zogeheten n-type silicium. Voeg je boor toe, dan ontstaan er juist plekken waar een elektron ontbreekt — "gaten" genoemd — en krijg je p-type silicium.
Leg je een laagje n-type en een laagje p-type tegen elkaar, dan ontstaat een pn-overgang. Op die overgang kun je met een kleine stuurspanning bepalen of stroom wel of niet doorstroomt. Combineer je drie van zulke laagjes, dan krijg je een transistor: een elektronische schakelaar zonder bewegende delen die miljarden keren per seconde aan en uit kan klikken.
Op een moderne chip staan die transistors niet los, maar met elkaar verbonden tot complexe schakelingen: een geïntegreerde schakeling (integrated circuit, IC). Om zulke piepkleine structuren te maken, gebruiken fabrikanten lithografie: met licht wordt een patroon op de siliciumplak (wafer) geprojecteerd, waarna chemische stappen dat patroon omzetten in echte transistors. De nieuwste machines gebruiken extreem ultraviolet licht (EUV) met een golflengte van slechts 13,5 nanometer om lijnen te tekenen die dunner zijn dan een virus.
De maat van een chipgeneratie wordt vaak aangeduid met een "procesknoop", zoals 5 nanometer of 3 nanometer. Die getallen zijn tegenwoordig vooral marketingnamen en komen niet meer letterlijk overeen met een fysieke afmeting, maar geven wel aan hoe dicht transistors op elkaar gepakt zitten: hoe kleiner het getal, hoe meer transistors er op dezelfde oppervlakte passen.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijvende gedachte achter zestig jaar chipontwikkeling is een simpele belofte: kleinere transistors zijn sneller, gebruiken minder stroom en zijn goedkoper per stuk. Deze vuistregel staat bekend als de Wet van Moore, genoemd naar Intel-medeoprichter Gordon Moore, die in 1965 voorspelde dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar zou verdubbelen.
Die drang naar kleiner en efficiënter maakt mogelijk wat we nu als vanzelfsprekend beschouwen: smartphones met meer rekenkracht dan de computers die de maanlandingen begeleidden, datacenters die kunstmatige intelligentie trainen, en sensoren die overal ter wereld draadloos kunnen communiceren.
Daarnaast speelt een geopolitiek doel een steeds grotere rol. Chipproductie is extreem geconcentreerd bij een handvol bedrijven en landen. Overheden willen niet afhankelijk zijn van één regio voor een technologie die cruciaal is voor economie en defensie, en investeren daarom fors in eigen productiecapaciteit — een streven dat vaak "chipsoevereiniteit" wordt genoemd.
Voorbeelden uit de praktijk
- TSMC's 3-nanometerproductie (Taiwan, vanaf 2022): het Taiwanese TSMC, de grootste chipfabrikant ter wereld, startte in 2022 met massaproductie op zijn N3-procesknoop en werkt aan de opvolger N2, verwacht vanaf 2025. Klanten als Apple en Nvidia laten hier hun meest geavanceerde chips maken.
- ASML's EUV-lithografiemachines (Veldhoven, sinds 2019 in massaproductie): het Nederlandse ASML is wereldwijd de enige leverancier van EUV-machines, apparaten van honderden miljoenen euro's per stuk die onmisbaar zijn voor de nieuwste chipgeneraties.
- Intel 18A (Arizona en Oregon, VS, verwacht 2025): Intel probeert met zijn 18A-procesknoop en een nieuw type transistor (RibbonFET) de technologische voorsprong van TSMC en Samsung terug te winnen, na jaren van vertragingen bij eerdere procesknopen.
- imec (Leuven, België): dit onafhankelijke onderzoeksinstituut ontwikkelt samen met vrijwel alle grote chipbedrijven de technologie voor toekomstige procesknopen, ver voordat die commercieel worden ingezet.
- De CHIPS Acts van de VS en de EU (2022-2023): de Amerikaanse CHIPS and Science Act (2022, circa 52 miljard dollar) en de Europese Chips Act (2023, circa 43 miljard euro aan publieke en private investeringen) moeten nieuwe fabrieken op eigen bodem stimuleren, waaronder een grote TSMC-fabriek in Arizona en Intel-fabrieken in Duitsland en Ohio.
Hoe ver is de techniek?
De industrie zit momenteel in een overgangsfase. Tot enkele jaren geleden gebruikten fabrikanten vrijwel overal het zogeheten FinFET-transistorontwerp, geïntroduceerd door Intel in 2011, waarbij het schakelende kanaal als een verticale vin uit de wafer steekt. Vanaf de 3-nanometerknoop stappen fabrikanten zoals Samsung en TSMC over op gate-all-around-transistors (GAAFET), waarbij het stuurelektrode-materiaal het kanaal aan alle kanten omsluit voor betere controle op zo'n kleine schaal.
Tegelijk lopen ingenieurs tegen fundamentele natuurkundige grenzen aan: bij afmetingen van een paar nanometer — nog maar enkele tientallen atomen breed — beginnen kwantummechanische effecten, zoals elektronen die "lekken" door barrières heen (tunneling), de werking van transistors te verstoren. Vandaar dat de industrie ook zoekt naar andere manieren om vooruitgang te boeken, zoals het stapelen van chiplagen op elkaar (3D-stacking) en het scheiden van stroomtoevoer en datasignalen op de chip (backside power delivery), een techniek die Intel als eerste in productie neemt.
De kosten van deze vooruitgang zijn enorm. Een moderne chipfabriek kost tegenwoordig 15 tot 20 miljard dollar, en alleen de allergrootste bedrijven kunnen dat soort bedragen opbrengen. Dat verklaart waarom het aantal bedrijven dat op de allernieuwste procesknopen kan produceren, is geslonken tot feitelijk drie: TSMC, Samsung en Intel.
Een ander obstakel is geopolitiek. Sinds 2022 heeft de Amerikaanse overheid exportbeperkingen ingesteld die het voor Chinese bedrijven moeilijker maken om aan de nieuwste chipmachines en -ontwerpsoftware te komen. China antwoordde in 2023 met eigen exportbeperkingen op gallium en germanium, grondstoffen die nodig zijn voor bepaalde chips. Dit soort maatregelen vertraagt de internationale samenwerking waarop de sector van oudsher draait.
Wie werken eraan?
De sector kent een scherpe taakverdeling. TSMC (Taiwan) en Samsung (Zuid-Korea) zijn de grootste zogeheten "foundries": bedrijven die chips produceren in opdracht van anderen. Intel (Verenigde Staten) is een van de weinige bedrijven die zelf chips ontwerpt én produceert, en probeert zich sinds enkele jaren ook als foundry voor andere klanten te profileren.
Aan de ontwerpkant opereren zogeheten "fabless"-bedrijven die zelf geen fabrieken bezitten, zoals Nvidia, Qualcomm en Apple, die hun ontwerpen laten produceren bij TSMC of Samsung. Het Britse Arm levert de basisontwerpen (architecturen) waarop een groot deel van 's werelds mobiele chips is gebaseerd.
Cruciaal maar minder zichtbaar is de toeleveringsketen voor machines en materialen. Het Nederlandse ASML heeft een wereldwijd monopolie op EUV-lithografiemachines. Onderzoeksinstituten zoals het Belgische imec brengen concurrerende bedrijven samen om gezamenlijk aan toekomstige technologie te werken.
Landen zetten zwaar in op deze sector. Naast de eerdergenoemde CHIPS Acts van de VS en de EU investeert China miljarden in bedrijven als SMIC om minder afhankelijk te worden van buitenlandse technologie. Japan probeert met het nieuwe bedrijf Rapidus en steun van onder meer IBM een eigen geavanceerde chipproductie op te zetten, terwijl Zuid-Korea zijn positie via Samsung en SK Hynix verder wil versterken.