De grafeenrevolutie die computing opnieuw zou kunnen definiëren

“Wat als er geen elektronische knelpunten zouden bestaan en je data naadloos tussen chips zou kunnen verplaatsen?” Met die vraag verwoordde Cédric Huyghebaert, CTO en medeoprichter van Black Semiconductor, de ambitie achter een van Europa's opvallendste fotonica-startups. Tijdens de PIC Summit Europe 2025 in Eindhoven legde hij uit hoe zijn bedrijf de unieke eigenschappen van grafeen benut om fotonica rechtstreeks in de halfgeleiderproductie te integreren. “We noemen het een nieuwe categorie chips”, zei hij. “Want nu kan je CMOS twee talen spreken: elektronica en fotonica.”

Van het lab naar de fabriek: de lange weg van grafeen

“Toen we grafeen gingen bestuderen”, herinnert Huyghebaert zich, “dacht iedereen dat we het nieuwe silicium hadden gevonden.” Met zijn buitengewone mobiliteit en geleidbaarheid dachten onderzoekers dat CMOS-transistors volledig konden worden vervangen. “Maar gelukkig”, glimlacht hij, “heeft grafeen geen bandkloof. Het heeft een vreemde bandstructuur, en dat bleek in ons voordeel te werken.”

De eerste experimenten waren eenvoudig, legt hij uit: een enkele atoomdikke grafeenlaag die in het laboratorium werd geëxfolieerd. “We hebben er licht op geschenen en ontdekten dat het 2,3% van het licht absorbeerde; veel voor een monolaag, maar niet genoeg om apparaten te bouwen.” Het belangrijkste inzicht kwam toen wetenschappers grafeen op een golfgeleider lamineerden, waardoor licht herhaaldelijk in wisselwerking kon treden met de grafeenlaag. “Dan kon je de absorptie afstemmen en zelfs al het licht absorberen als je dat wilde”, aldus Huyghebaert.

Dat besef opende de deur naar grafeenmodulatoren en fotodetectoren, apparaten die licht met buitengewone snelheden kunnen manipuleren en detecteren. “Het werkte fantastisch in het laboratorium”, zei hij. “Maar hoe sluit je het aan op elektronica? Hoe breng je dat op industriële schaal? Dat is waar Black Semiconductor begon.”

Een nieuwe categorie chips: EPIC's naast PIC's

Traditionele benaderingen voor het combineren van fotonica en elektronica zijn afhankelijk van complexe en kostbare geavanceerde verpakkingen: het verbinden, verdunnen en stapelen van meerdere chips. “Het is erg ingewikkeld”, aldus Huyghebaert. " Wat wij in plaats daarvan voorstellen is een EPIC: een elektronisch-fotonisch geïntegreerd circuit. We integreren beide technologieën met behulp van standaard industriële processen. Geen lift-off, geen exotische gereedschappen.“

Het resultaat is revolutionaire eenvoud: fotonica die kan worden vervaardigd binnen standaard CMOS-lijnen, waardoor dataverplaatsing door licht in plaats van elektronen mogelijk wordt. ”Wat je ook op je chip maakt“, zei hij, ”het kan plotseling twee talen spreken. Het kan elektronisch rekenen en optisch communiceren. Dat is een gamechanger.“

De uitdagingen: kwaliteit, reproduceerbaarheid, schaalbaarheid

Het potentieel van grafeen gaat gepaard met hoofdbrekens. ”Je kunt niet zomaar naar een fabriek gaan en vragen om grafeen te integreren – althans, wij hebben er geen gevonden die dat konden," gaf Huyghebaert toe. De belangrijkste problemen? Kwaliteit en reproduceerbaarheid. “Grafeen staat bekend als fantastisch en onbetrouwbaar”, zei hij. “Daarom ontwikkelen we enkelkristalgrafeen, gekweekt op wafers van 200 millimeter en opgeschaald naar 300 millimeter. Dat is cruciaal voor de stabiliteit.”

Ook het overdrachtsproces is lastig. "We kweken grafeen op een sjabloon en verplaatsen het vervolgens naar de wafer, maar het is moeilijk om het ongerept te houden. In de geschiedenis van CMOS was reproduceerbaarheid ook de belangrijkste bottleneck, totdat de industrie leerde hoe het gate-oxide te beheersen. Nu moeten we hetzelfde doen voor grafeen.“

De derde uitdaging is schaalbaarheid. ”Zelfs als het werkt, kunnen we dan 100.000 wafers per jaar maken? Een miljoen?“ vroeg hij. ”Als je fotonica op elke chip wilt, heb je een plan nodig voor massaproductie."

PhotonStudio: industriële pijn omzetten in fotonische start-upsDe nieuwe venture studio van PhotonDelta en Gritd draait het script voor het opzetten van start-ups om: van “kijk wat we kunnen” naar “wij kunnen uw probleem oplossen”.

Het grafeenmoment van Europa

Het antwoord van Black Semiconductor uit Aken kwam via Europese samenwerking. “Europa heeft een rijke geschiedenis op het gebied van grafeenonderzoek”, herinnerde Huyghebaert het publiek, verwijzend naar het Graphene Flagship-programma van de EU. “Dus in 2021 zijn we in gesprek gegaan met beleidsmakers om hen ervan te overtuigen dat Europa deze technologie hier moet houden.”

Hun pitch was succesvol. In juni 2024 kreeg Black Semiconductor een IPCEI-subsidie (Important Project of Common European Interest) toegekend voor de bouw van een 300 mm-proeflijn voor geïntegreerde grafeenfotonica. “We zijn nu bezig met het ontwerp van de fabriek”, aldus Huyghebaert. “Deze zal medio 2026 operationeel zijn, begin 2027 volledig in bedrijf zijn en kort daarna zullen we productmonsters kunnen leveren.”

De groei van het bedrijf is net zo snel gegaan. “In 2022 waren we met twee mensen”, zegt hij. “Vandaag zijn we met 130 en volgend jaar zullen we met 240 zijn.” Dat tempo brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee. “Het is moeilijk om talent aan te werven”, geeft hij toe, "maar het is nog moeilijker om dat talent op één lijn te krijgen. Het kost tijd voordat nieuwe mensen efficiënt zijn; daar werken we nu aan.“

Verder dan siliciumfotonica

De huidige siliciumfotonica (SiPh)-technologie – het werkpaard van optische interconnecties – stuit op beperkingen wanneer deze wordt geïntegreerd in de back-end-of-line (BEOL) van de chipfabricage. ”SiPh vereist hoge temperaturen en materialen die niet compatibel zijn met BEOL", legde Huyghebaert uit. “Grafeen daarentegen past perfect. Het is geschikt voor lage temperaturen, compatibel met CMOS en maakt zowel snelle modulators als detectoren mogelijk.”

Die compatibiliteit zou volgens hem de computerarchitectuur opnieuw kunnen definiëren. “Het stelt ons in staat om opnieuw na te denken over hoe chips communiceren: rechtstreeks via licht, binnen dezelfde stack. Zo doorbreken we de interconnectie-bottleneck die AI tegenhoudt.”

In de visievideo van het bedrijf vatte hij het bondig samen: “Grafeenfotonica elimineert elektronische knelpunten voor een onbeperkte datadoorvoer.”

De volgende stap: glas en licht

Black Semiconductor ontwikkelt ook glazen paneelinterposers, een opkomend platform voor de volgende generatie computers. “Glas vermindert signaalverlies, verbetert de bandbreedte en maakt complexere systeemarchitecturen mogelijk”, aldus Huyghebaert. “In combinatie met geïntegreerde grafeenfotonica creëert het een naadloos optisch netwerk tussen chiplets.”

In vroege laboratoriumtests laten hun grafeenmodulatoren al veelbelovende snelheden zien: vandaag 5 GHz, met een roadmap naar 20-25 GHz modulatie en 60 GHz fotodetectoren. “We zetten nu pas onze eerste stappen”, zei hij, “maar we weten welke weg we moeten volgen.”

Op weg naar het post-siliciumtijdperk

Tot slot wees Huyghebaert op zijn laatste academische paper voordat hij Black Semiconductor oprichtte. “Het heette ‘2D-materialen kunnen de back-end van de lijn intelligent maken’. Dat is wat we doen: de back-end slimmer maken.”

Het doel, zei hij, is niet om CMOS te vervangen, maar om het uit te breiden, door de achterkant van de chip om te vormen tot een actieve optische laag. “Het is de eerste versie van een nieuwe categorie chips. Elektronica en fotonica, echt geïntegreerd. Zo herzien we computing.”

De boodschap van Huyghebaert was duidelijk: de volgende revolutie in computing zal niet alleen voortkomen uit snellere transistors, maar ook uit licht dat door een enkele laag koolstof stroomt.