Supraleitende Halbleitertechnik Erster skalierbarer NbTiN-Supraleiter mit 30-nm-Strukturen

Anbieter zum Thema

Precoplat Präzisions Leiterplatten Technik GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Supraleitende Logik gilt als möglicher Weg zu extrem energieeffizienten Rechenarchitekturen für HPC, KI und Quantencomputer. Auf der Applied Superconductivity Conference 2026 hat imec eine Plattform auf Basis von NbTiN mit drei Metallebenen, 150-nm-Josephson-Kontakten und 30 nm breiten Supraleitern vorgestellt.

Das belgische Forschungszentrum imec hat eine neue Fertigungsplattform für skalierbare supraleitende Schaltungen entwickelt. Auf der Applied Superconductivity Conference (ASC) 2026 demonstrierte das Institut auf Niob-Titannitrid basierende Josephson-Kontakte mit drei Metallebenen (3ML). Die Struktur erreicht bei einem Josephson-Kontaktdurchmesser von 150 nm eine Dichte von 3,8 Millionen Übergängen pro cm².

Herkömmliche supraleitende Schaltungen auf Niob-Basis bieten zwar sehr schnelle und energieeffiziente Logik, lassen sich jedoch bislang nur begrenzt mit den für moderne integrierte Schaltungen erforderlichen Strukturgrößen und Fertigungsprozessen kombinieren. Imec setzt deshalb auf NbTiN und eine 300-mm-CMOS-kompatible Prozesstechnik.

Bildergalerie

Josephson-Kontakt für skalierbare Fertigung

Das Grundprinzip der supraleitenden Logik basiert auf Josephson-Kontakten. Dabei wird ein dünner nichtleitender bzw. schwach leitender Bereich zwischen zwei supraleitenden Elektroden genutzt. Der Josephson-Effekt ermöglicht Schaltvorgänge mit sehr hoher Geschwindigkeit und geringem Energiebedarf. Für komplexe Systeme reicht die Optimierung einzelner Kontakte allerdings nicht aus: Auch die Verdrahtung zwischen den Bauelementen muss mit hoher Dichte und möglichst geringen Verlusten realisierbar sein.

Das Forschungsinstitut hat dafür NbTiN-Supraleiter einschließlich Leiterbahnen und Durchkontaktierungen, die über drei Ebenen gestackt sind, entwickelt. Die Strukturen können für Induktivitäten, passive Übertragungsleitungen, Masseflächen sowie Takt- und Leistungsresonatoren eingesetzt werden. Die Breite der Supraleiter wurde dabei auf 30 nm reduziert – laut imec etwa um den Faktor zehn gegenüber konventionellen Nb-basierten Technologien.

Ein weiterer Vorteil der NbTiN-Plattform ist die Möglichkeit, die elektrischen Eigenschaften der supraleitenden Strukturen gezielt an die jeweilige Anwendung anzupassen. Bei den Josephson-Übergängen lässt sich beispielsweise die kritische Stromdichte J_c einstellen, bei den Leitungen der kritische Strom I_c. Damit soll sich die Technologie für unterschiedliche Schaltungs- und Systemanforderungen optimieren lassen.

Von der Schaltung zur 3D-Integration

Imec betrachtet die Entwicklung nicht als isolierte Prozessdemonstration. Die Forschungsplattform verbindet Prozesstechnologie, Schaltungsdesign und EDA-Unterstützung mit der Integration auf Systemebene. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf heterogener 2,5D- und 3D-Integration, um supraleitende Schaltungen mit anderen Halbleiter-, Speicher- oder Photoniktechniken zu kombinieren.

Das ist insbesondere für Rechenarchitekturen interessant, bei denen die supraleitende Logik ihre Vorteile bei Geschwindigkeit und Energieeffizienz ausspielen kann, während andere Technologien beispielsweise Speicher- oder I/O-Funktionen übernehmen. Die Belgier sehen Einsatzmöglichkeiten deshalb nicht nur im Hochleistungsrechnen und bei KI-Beschleunigern, sondern auch bei der Steuerung und dem Auslesen von Quantencomputern, in der Photonik und beim neuromorphen Rechnen.

Supraleitende Technologien werden dabei mit erheblichen Leistungsversprechen verbunden. Nach Angaben von imec könnten sie gegenüber heutiger CMOS-Technologie theoretisch Vorteile bei Energieeffizienz, Rechendichte und Bandbreite bieten. Genannt werden Größenordnungen bis zum 100-fachen bei der Energieeffizienz sowie 1000-fachen bei Rechendichte und Übertragungsbandbreite. Diese Werte sind allerdings als Technologiepotenziale und nicht als unmittelbar erreichbare Systemkennzahlen zu verstehen.

Richard Rouse, Leiter des Programms für supraleitende Bauelemente bei imec, sieht die nächste Entwicklungsstufe deshalb in der Kombination von Material-, Prozess-, Schaltungs- und Systementwicklung. Das Forschungsinstitut will seine NbTiN-Plattform gemeinsam mit Foundries, Hyperscalern und Systemherstellern weiterentwickeln. Neben HPC und KI, Quantencomputing und neuromorphem Rechnen könnte auch hochauflösende Einzelphotonendetektion erschlossen werden.

Die Plattform ist vor allem unter dem Gesichtspunkt der Fertigungstechnik interessant. Die NbTiN-Supraleiter zeigen, dass sich supraleitende 3D-Schaltungskonzepte auch in die Fertigung der klassischen Halbleitertechnik integrieren lassen.(kr)

(ID:50956274)