Nieuwe chipmaterialen: wat komt er na silicium?

Silicium vormt al meer dan een halve eeuw de basis van moderne computers, maar de term ‘post-siliciumtijdperk’ kan misleidend zijn. In 2026 is er geen enkel materiaal dat silicium volledig kan vervangen in processors, geheugen, communicatieapparatuur en vermogenselektronica. De halfgeleiderindustrie beweegt in plaats daarvan naar een toekomst waarin verschillende materialen worden gecombineerd. Silicium blijft de belangrijkste basis omdat het ruim beschikbaar en grondig onderzocht is en wordt ondersteund door een omvangrijke productie-infrastructuur. Ingenieurs voegen echter nieuwe kanaalmaterialen, geleiders, optische onderdelen en driedimensionale structuren toe op plaatsen waar silicium niet langer de beste oplossing biedt. De volgende generatie chips zal daarom niet worden bepaald door één plotselinge vervanging, maar door zorgvuldig samengestelde combinaties: silicium-nanosheettransistors voor reguliere logica, atomair dunne halfgeleiders voor verdere miniaturisatie, siliciumcarbide en galliumnitride voor efficiënte energieomzetting en gespecialiseerde verbindingen voor optische of hoogfrequente functies. Om te begrijpen wat er na silicium komt, moet worden gekeken naar welk materiaal het meest geschikt is voor ieder onderdeel van een chip, hoe dicht het bij massaproductie staat en of het betrouwbaar en tegen aanvaardbare kosten kan worden geproduceerd.

Waarom silicium zijn grenzen bereikt maar essentieel blijft

De druk op silicium komt voort uit eenvoudige natuurkundige beperkingen. Decennialang verbeterden chipfabrikanten de prestaties door transistors kleiner te maken en er meer op één chip te plaatsen. Bij zeer kleine afmetingen wordt het echter moeilijker om de elektrische stroom te beheersen, neemt lekstroom toe en wordt warmteafvoer ingewikkelder. Het probleem is niet dat silicium plotseling niet meer werkt. Iedere verdere verbetering vereist vooral complexere structuren, nauwkeurigere productietoleranties en hogere investeringen. De kleinste kenmerken die bij moderne productieprocessen worden genoemd, vormen niet langer een rechtstreekse meting van één transistorafmeting. Benamingen zoals ‘2 nanometer’ beschrijven daarom vooral een reeks verbeteringen in dichtheid en prestaties. Toch is de technische uitdaging reëel. Gates, kanalen, contacten, isolatielagen en metalen verbindingen moeten allemaal functioneren in ruimtes van slechts enkele miljardsten van een meter, terwijl miljarden transistors zich gelijkmatig over een volledige wafer moeten gedragen.

Silicium heeft nog altijd belangrijke voordelen die nieuwe materialen voorlopig niet kunnen evenaren. Fabrikanten weten hoe zij hoogwaardige siliciumkristallen moeten laten groeien, uitzonderlijk zuivere overgangen met siliciumdioxide moeten vormen, elektrische eigenschappen via dotering moeten regelen en grote wafers met een hoge opbrengst moeten produceren. Ontwerpsoftware, testmethoden, fabrieken en toeleveringsketens zijn bovendien opgebouwd rond complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie. Dit volledig vervangen zou aanzienlijk moeilijker zijn dan het demonstreren van een indrukwekkende transistor in een universitair laboratorium. Betrouwbaarheid is vooral belangrijk: een nieuw materiaal moet jarenlang elektrische belasting, herhaaldelijke temperatuurwisselingen, mechanische spanning en productievariaties doorstaan. Het moet ook functioneren in zowel n-type als p-type transistors, omdat moderne logica afhankelijk is van nauwkeurig gebalanceerde paren van beide typen. Veel kandidaten voor het tijdperk na silicium presteren goed in één specifieke toepassing, maar voldoen nog niet aan dit volledige pakket aan eisen.

De actuele productieplannen laten zien hoeveel ontwikkelingsruimte silicium nog heeft. TSMC meldde dat zijn N2-generatie, gebaseerd op gate-all-around-nanosheettransistors, in het vierde kwartaal van 2025 in grootschalige productie ging en naar verwachting in 2026 snel zou worden opgeschaald. De ontwikkelingen N2P en A16, waarvan grootschalige productie voor de tweede helft van 2026 was gepland, blijven geavanceerde siliciumtransistors gebruiken, maar passen de stroomvoorziening en het ontwerp aan. Intels 18A-proces ging in 2025 in productie en combineert RibbonFET gate-all-around-transistors met stroomtoevoer via de achterkant van de wafer. In juni 2026 maakte het bedrijf bekend dat de verbeterde versie 18A-P de risicoproductiefase had bereikt. Deze ontwikkelingen zijn belangrijk omdat ze aantonen dat de directe opvolger van oudere siliciumtransistors geen ander chemisch element is. Het gaat om een geavanceerdere vorm van siliciumtechnologie, waarbij de gate het kanaal volledig omsluit en de stroom via de achterkant wordt aangevoerd om meer ruimte vrij te maken voor signaalverbindingen.

Van nanosheets naar verticaal gestapelde transistors

Gate-all-around-transistors vormen de belangrijkste overgang tussen de huidige FinFETs en toekomstige apparaten waarin meerdere materialen worden gecombineerd. Bij een FinFET bestuurt de gate een verhoogde siliciumvin vanaf drie zijden. Bij een nanosheetontwerp lopen dunne horizontale lagen kanaalmateriaal door een gate die ze vrijwel volledig omsluit. Deze sterkere controle helpt lekstroom te beperken en maakt het mogelijk de breedte van de lagen aan te passen aan verschillende doelstellingen voor prestaties of energieverbruik. Toonaangevende fabrikanten hebben gate-all-around-structuren inmiddels opgenomen in hun nieuwste productiegeneraties. Voor niet-specialisten is vooral van belang dat transistorontwerpen op het niveau van het schakelende onderdeel zelf driedimensionaal worden. Ingenieurs vertrouwen niet langer uitsluitend op het verkleinen van een vlak patroon, maar veranderen de vorm van de transistor zodat elektrische stroom beheersbaar blijft wanneer de afmetingen verder afnemen.

De volgende stap bestaat waarschijnlijk uit het boven elkaar plaatsen van complementaire transistors. Dit concept wordt gewoonlijk een complementary field-effect transistor of CFET genoemd. In plaats van n-type en p-type transistors naast elkaar te plaatsen, worden ze verticaal gestapeld, waardoor een logische cel minder oppervlakte nodig heeft. IBM heeft daarnaast een sequentieel opgebouwde NanoStack-architectuur beschreven, waarbij lagen nanosheettransistors boven elkaar worden verbonden en verwerkt. Dergelijke ontwerpen kunnen de dichtheid verhogen zonder dat iedere horizontale structuur drastisch smaller hoeft te worden. Ze sluiten ook aan bij een bredere ontwikkeling in chiptechniek: nuttige vooruitgang wordt steeds vaker bereikt door verticaal te bouwen. De moeilijkheid is dat bovenste lagen moeten worden toegevoegd zonder de reeds voltooide onderdelen eronder te beschadigen. Temperatuurlimieten, uitlijning, elektrische verbindingen en defectbeheersing worden daardoor even belangrijk als de elektrische eigenschappen van het kanaalmateriaal.

Verticale stapeling maakt nieuwe materialen niet overbodig, maar creëert juist meer plaatsen waar ze kunnen worden toegepast. Een onderste transistorlaag kan silicium blijven gebruiken omdat dit bestand is tegen bestaande productieprocessen met hoge temperaturen, terwijl een bovenste laag een halfgeleider kan bevatten die bij lagere temperaturen wordt aangebracht. Contacten kunnen metalen vereisen die ook bij zeer kleine afmetingen een lage weerstand behouden, terwijl isolatielagen ongewenste elektrische koppeling tussen gestapelde onderdelen moeten voorkomen. Warmte wordt eveneens een centrale beperking, omdat dicht opeengepakte lagen energie in de chip kunnen vasthouden. Daarom kan de discussie over technologie na silicium niet worden teruggebracht tot de keuze voor een beter transistorkanaal. Een praktisch ontwerp moet kanalen, contacten, bedrading, isolatie, stroomvoorziening en koeling als één samenhangend systeem behandelen. Het sterkste materiaal is uiteindelijk het materiaal dat de totale rekenefficiëntie verbetert zonder elders een nog ernstiger probleem te veroorzaken.

Materialen die silicium waarschijnlijk zullen aanvullen of vervangen

Tweedimensionale halfgeleiders behoren tot de meest onderzochte kandidaten voor toekomstige logica. Materialen zoals molybdeendisulfide en wolfraamdiselenide kunnen slechts één of enkele atoomlagen dik zijn. Door deze geringe dikte kan een transistorgate het kanaal zeer nauwkeurig regelen, wat lekstroom kan verminderen wanneer onderdelen te klein worden voor conventionele siliciumkanalen. Ze beschikken ook over bruikbare elektronische bandkloven, in tegenstelling tot grafeen. Grafeen geleidt uitstekend, maar kan van nature niet gemakkelijk worden uitgeschakeld zoals voor gewone digitale logica noodzakelijk is. Onderzoek dat in 2025 werd gepubliceerd, liet betekenisvolle vooruitgang zien richting productie in plaats van uitsluitend afzonderlijke laboratoriumproeven. Imec presenteerde verbeterde p-type transistors met monolaag wolfraamdiselenide, samen met productievriendelijkere methoden voor het vormen van contacten en gatestructuren. Afzonderlijk onderzoek demonstreerde molybdeendisulfidetransistors op waferschaal met kanaal- en contactlengtes onder 35 nanometer, waarbij metingen werden verzameld van ongeveer duizend onderdelen.

De aantrekkingskracht van tweedimensionale materialen beperkt zich niet tot kleinere afzonderlijke transistors. Omdat ze in uiterst dunne lagen en in sommige gevallen bij lagere temperaturen dan traditionele siliciumonderdelen kunnen worden verwerkt, zijn ze mogelijk geschikt voor het rechtstreeks bouwen van logica of geheugen boven bestaande schakelingen. In 2025 rapporteerden onderzoekers een eenvoudige processor met ongeveer duizend n-type molybdeendisulfidetransistors en duizend p-type wolfraamdiselenidetransistors op dezelfde chip. Een ander project combineerde een tweedimensionale geheugenlaag van molybdeendisulfide met conventionele CMOS-besturingsschakelingen en rapporteerde een productieopbrengst van ongeveer 94 procent. Deze resultaten betekenen niet dat commerciële laptopprocessors die volledig uit tweedimensionale materialen bestaan binnenkort verschijnen. Ze laten wel zien dat het onderzoek verschuift van records met afzonderlijke onderdelen naar complete schakelingen, groei op waferschaal, herhaalbaarheid en integratie met bestaande elektronica.

Er blijven aanzienlijke obstakels bestaan. Het laten groeien van een uniforme, vrijwel defectvrije laag over een grote wafer is moeilijker dan het produceren van een klein, hoogwaardig materiaalvlokje. Elektrische contacten kunnen zoveel weerstand toevoegen dat het voordeel van een uitstekend kanaal verloren gaat, terwijl geschikte isolatielagen zich op veel tweedimensionale oppervlakken niet vanzelf vormen. P-type prestaties blijven over het algemeen achter bij n-type prestaties, waardoor gebalanceerde logica moeilijker te realiseren is. De productie moet bovendien vervuiling voorkomen en iedere laag met nauwkeurigheid op atoomniveau positioneren. Daarom zal het eerste commerciële gebruik waarschijnlijk selectief zijn: een extra laag energiezuinige logica, gespecialiseerd geheugen, sensoren of schakelingen boven een siliciumbasis. Voor volledige vervanging van silicium in geavanceerde centrale processors zijn gelijktijdige verbeteringen nodig in materiaalgroei, contacten, gate-isolatie, levensduur, circuitontwerp en kwaliteitsbewaking bij massaproductie.

Koolstofnanobuisjes, samengestelde halfgeleiders en materialen met een brede bandkloof

Koolstofnanobuisjes bieden een andere route naar zeer efficiënte transistors. Een nanobuisje is een opgerolde cilinder van koolstofatomen met een diameter die ongeveer één nanometer kan bedragen. Halfgeleidende nanobuisjes kunnen bij een lage spanning effectief stroom geleiden, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor energiezuinige logica en extra transistorlagen boven silicium. Onderzoeksgroepen hebben al processors en testschakelingen op waferschaal gebouwd met veldeffecttransistors van koolstofnanobuisjes. De uitdaging is niet om te bewijzen dat een nanobuisje kan schakelen, maar om enorme aantallen ervan in de juiste richting, met de vereiste dichtheid en met consistente elektrische eigenschappen te rangschikken. Een klein aandeel metalen nanobuisjes dat niet kan worden uitgeschakeld, kan circuitstoringen veroorzaken. Ingenieurs hebben daarom betrouwbare methoden nodig voor groei, uitlijning, overdracht, zuivering, dotering en contactvorming voordat logica met koolstofnanobuisjes kan concurreren met de volwassen siliciumproductie.

Samengestelde halfgeleiders combineren elementen uit verschillende groepen van het periodiek systeem en zijn nu al essentieel in toepassingen waarin silicium minder effectief is. Galliumarsenide en indiumfosfide worden veel gebruikt in radiofrequente en optische onderdelen, omdat elektronen zich er snel doorheen kunnen bewegen en sommige verbindingen licht efficiënt uitzenden of detecteren. In plaats van een volledige siliciumprocessor te vervangen, worden deze materialen steeds vaker als kleine gespecialiseerde chiplets toegevoegd. In juni 2026 meldde imec vooruitgang bij de integratie van III-V-chiplets met silicium-CMOS via een interposer van 300 millimeter, bedoeld voor hoogfrequente toepassingen en datacentra. Deze benadering weerspiegelt een realistische materiaalstrategie: silicium behouden voor dichte digitale besturing en alleen een samengestelde halfgeleider toevoegen wanneer snelheid, optische reactie of hoogfrequent gedrag de extra kosten en productiecomplexiteit rechtvaardigt.

Siliciumcarbide en galliumnitride zijn al verder ontwikkeld binnen de vermogenselektronica. Hun brede bandkloven maken het mogelijk om bij hogere spanningen, temperaturen en schakelfrequenties te werken dan conventionele siliciumonderdelen, in veel toepassingen met minder energieverlies. Siliciumcarbide is vooral belangrijk in tractieomvormers voor elektrische voertuigen, snelladers, industriële aandrijvingen en hoogspanningssystemen. Galliumnitride is sterk in compacte opladers, telecommunicatieapparatuur, zonne-energieomvormers, robotica en voedingen voor computerapparatuur. De commerciële uitbreiding ging in 2025 en 2026 verder. Infineon meldde dat zijn werk aan galliumnitrideproductie op wafers van 300 millimeter volgens planning verliep, waarbij de eerste monsters voor klanten vanaf het vierde kwartaal van 2025 waren voorzien. Deze materialen vervangen geen silicium-CPU’s, maar nemen wel taken over van silicium in de elektrische systemen die moderne elektronica voeden, opladen en aansturen.

Hoe chips met meerdere materialen worden gebouwd en gebruikt

De meest waarschijnlijke chip na het traditionele siliciumtijdperk bestaat uit een verzameling gespecialiseerde onderdelen in plaats van één uniforme plak materiaal. Geavanceerde verpakkingstechnieken stellen ontwerpers in staat een groot ontwerp op te delen in kleinere chiplets die met verschillende processen zijn vervaardigd. Een rekeneenheid kan de nieuwste siliciumtransistors gebruiken, geheugen kan dichtbij worden geplaatst in gestapelde modules met hoge bandbreedte, analoge functies kunnen op een ouder en goedkoper proces blijven draaien en optische of radiofrequente onderdelen kunnen een samengestelde halfgeleider gebruiken. TSMC’s 3DFabric-familie, waaronder CoWoS, SoIC en InFO, laat zien hoe verpakking onderdeel is geworden van de computerarchitectuur in plaats van slechts een laatste beschermende productiestap. Kleinere chips kunnen de productieopbrengst verbeteren, het hergebruik van bewezen onderdelen mogelijk maken en de combinatie vergemakkelijken van materialen die niet eenvoudig samen op één wafer kunnen worden aangebracht. Daar staat tegenover dat verbindingen tussen chiplets een zeer hoge bandbreedte, een laag energieverbruik en betrouwbaar warmtegedrag moeten bieden.

De bedrading in een chip wordt even belangrijk als het transistormateriaal. Koper is de standaardgeleider voor geavanceerde verbindingen, maar zeer smalle koperbanen krijgen een hogere weerstand en vereisen barrièrelagen die kostbare ruimte innemen. Onderzoekers beoordelen alternatieven zoals kobalt, ruthenium, molybdeen, topologische halfmetalen en structuren met grafeen. Een overzichtsstudie uit 2025 wees molybdeenfosfide en verwante materialen aan als mogelijke toekomstige geleiders, grafeen en molybdeendisulfide als uiterst dunne diffusiebarrières en amorf boornitride als mogelijke isolator met lage capaciteit. Geen van deze materialen zal gegarandeerd koper in een volledige chip vervangen. Waarschijnlijker is dat verschillende metalen en barrièrematerialen voor verschillende bedradingslagen worden gekozen, afhankelijk van de baanbreedte, stroomsterkte, betrouwbaarheid en verenigbaarheid met bestaande productiestappen.

Optische communicatie vormt een ander belangrijk onderdeel van deze toekomst met meerdere materialen. Het elektrisch verplaatsen van gegevens binnen een behuizing of tussen rekken met computers verbruikt steeds meer energie naarmate AI-systemen groter worden. Siliciumfotonica gebruikt vertrouwde wafertechnieken om optische golfgeleiders en veel ondersteunende onderdelen te maken, terwijl materialen zoals indiumfosfide lasers kunnen leveren en verbindingen zoals bariumtitanaat of lithiumniobaat de modulatie van licht kunnen verbeteren. In januari 2026 kondigden imec en Veeco een met 300 millimeter wafers verenigbare methode aan om bariumtitanaat met siliciumfotonica te integreren voor snelle optische functies met een laag energieverbruik. Het waarschijnlijke resultaat is geen optische vervanging van iedere transistor. Het gaat om een nauwere verbinding tussen elektronische logica en gegevensverbindingen op basis van licht, waardoor minder energie nodig is om informatie te verplaatsen terwijl silicium en andere halfgeleiders de berekeningen blijven uitvoeren.

Hoe de overgang na silicium er realistisch uit zal zien

Tussen 2026 en het einde van dit decennium zullen de meeste reguliere processors naar verwachting hoofdzakelijk op silicium blijven gebaseerd. Gate-all-around-nanosheets, stroomtoevoer via de achterkant, verbeterde lithografie, nieuwe bedradingsmaterialen en geavanceerdere verpakkingstechnieken zorgen op korte termijn voor verdere vooruitgang. Verticaal gestapelde complementaire transistors kunnen volgen wanneer de productiemethoden voldoende ontwikkeld zijn. Tweedimensionale halfgeleiders en koolstofnanobuisjes zullen waarschijnlijk eerder verschijnen in extra lagen, experimentele versnellers, sensoren, geheugen of gespecialiseerde energiezuinige schakelingen dan als volledige vervanging van geavanceerde CPU’s. Samengestelde halfgeleiders zullen verder groeien via chiplets en optische onderdelen, terwijl siliciumcarbide en galliumnitride een groter aandeel van de energieomzetting overnemen. Deze overgang verloopt geleidelijk, maar is niet onbeduidend: vrijwel iedere laag van een chip en de bijbehorende behuizing wordt opnieuw beoordeeld.

Kosten en productieopbrengst bepalen welke successen uit het laboratorium uiteindelijk in alledaagse producten terechtkomen. Een materiaal kan een uitstekende elektronenmobiliteit bieden of bestand zijn tegen een sterker elektrisch veld, maar commercieel toch mislukken wanneer wafers klein zijn, defecten vaak voorkomen, contacten onbetrouwbaar zijn of de productie onbekende apparatuur vereist. Ook milieu- en leveringsvraagstukken spelen een rol. Sommige verbindingen zijn afhankelijk van zeldzame elementen, energie-intensieve kristalgroei of toeleveringsketens die in slechts enkele regio’s zijn geconcentreerd. Fabrikanten zullen de voorkeur geven aan materialen die met beperkte aanpassingen in bestaande fabrieken kunnen worden ingevoerd en een duidelijk voordeel voor het volledige systeem opleveren. Hybride ontwerpen hebben daardoor een voordeel, omdat ze slechts kleine hoeveelheden van een duur materiaal gebruiken op plaatsen waar het de grootste invloed heeft, terwijl silicium behouden blijft voor grotere oppervlakken waar het economisch en betrouwbaar is.

Het nauwkeurigste antwoord op de vraag wat er na silicium komt, luidt daarom: meerdere materialen die samen met silicium werken. Silicium verliest zijn vroegere positie als vrijwel universele oplossing voor ieder halfgeleiderprobleem, maar blijft het structurele en industriële middelpunt van veel geavanceerde chips. Atomair dunne kanalen kunnen verdere miniaturisatie van transistors mogelijk maken, koolstofnanobuisjes kunnen zeer energiezuinige logica ondersteunen, III-V-verbindingen kunnen licht en hoogfrequente signalen verwerken, siliciumcarbide en galliumnitride kunnen de energieomzetting verbeteren en nieuwe metalen en isolatoren kunnen gegevens door steeds dichtere schakelingen laten bewegen. Vooruitgang zal niet worden gemeten aan de hand van één dag waarop een enkele opvolger wordt uitgeroepen, maar aan de geleidelijke komst van chips waarvan de prestaties afhangen van meerdere zorgvuldig geïntegreerde materialen. Deze benadering met verschillende materialen is in 2026 al zichtbaar en vormt de meest geloofwaardige route voorbij de grenzen van conventionele siliciumminiaturisatie.