Siliziumnitrid-Photonik Fraunhofer IPMS treibt SiN-Wellenleiter auf 300 mm Richtung Serienfertigung

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Mit einer Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform für die 200- und 300-mm-CMOS-Fertigung möchte das Fraunhofer IPMS integrierte Photonik aus dem Labor in die Serienproduktion überführen. Forschung und Industrie diskutieren derzeit, wo sich die Technologie für Sensorik, Photonic Computing und Quantensysteme einsetzen lässt und wo noch Entwicklungsarbeit erforderlich ist.

Mit einer Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform für 200- und 300-mm-CMOS-Fertigung will das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS integrierte Photonik aus dem Labor in die Serienproduktion überführen. Auf dem Industry Partner Day des Instituts am 20. August 2026 diskutierten Vertreter aus Forschung und Industrie unter dem Titel „Photonics for Next-Generation Information Systems", wo sich die Technologie bereits einsetzen lässt und wo noch Entwicklungsarbeit notwendig ist.

Integrierte photonische Systeme kombinieren Elektronik mit aktiven und passiven optischen Komponenten auf einem Chip: Lichtemitter wie Laser, OLEDs oder microLEDs, Wellenleiter, Modulatoren, beispielsweise Flächenlichtmodulatoren oder Mikroscannerspiegel, sowie Detektoren. Ziel ist die Bündelung mehrerer optischer und elektronischer Funktionen auf kleinstem Raum, was potenziell kompaktere und energieeffizientere Systeme ermöglicht als diskret aufgebaute optische Lösungen.

Photonischer Biosensor-Chip

Zentrale Technologiebasis am IPMS ist die Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform (SiN), die laut Institut sowohl für 200- als auch für 300-mm-Wafer zur Verfügung steht. SiN wird in der Fachliteratur wegen niedriger optischer Verluste über eine breite Wellenlänge geschätzt, der vom sichtbaren bis in den mittleren Infrarotbereich reicht. Konkrete Verlustwerte für die IPMS-eigene Plattform nennt das Institut in seiner Mitteilung nicht; publizierte SiN-Plattformen anderer Anbieter liegen je nach Prozess und Wellenlänge zwischen unter 0,1 dB/m in optimierten Speziallabors und rund 0,6 bis 1 dB/cm in ausgereiften 200-mm-Foundry-Prozessen.

Ein Anwendungsbeispiel für die Plattform ist ein miniaturisierter photonischer Biosensor-Chip, den das Institut im Zusammenhang mit dem Partner Day zeigte. Der Ansatz zeigt, wie sich elektronische und optische Funktionen auf Waferebene integrieren lassen, um Bauelemente in großen Stückzahlen kosteneffizient zu fertigen. Das ist laut IPMS Voraussetzung dafür, dass photonische Biosensoren über Laborprototypen hinaus wirtschaftlich einsetzbar werden.

Die SiN-Plattform bildet nach Institutsangaben zugleich das technologische Rückgrat für weitere Anwendungsfelder. Dazu gehören Photonic Computing, Quantentechnologien und die hybride Integration mit aktiven Bauelementen wie Lasern oder Mikroscannerspiegeln.

Neue Möglichkeiten mit integrierter Photonik

Daneben umfasst das Forschungsspektrum des IPMS zwei weitere photonische Bauelementklassen, die im Institut parallel entwickelt werden, technisch aber unabhängig von der SiN-Plattform sind. Das sind zum einen Flächenlichtmodulatoren auf MEMS-Basis mit Millionen einzeln über integrierte CMOS-Elektronik ansteuerbaren Mikrospiegeln, die sich beispielsweise in der maskenlosen Mikrolithographie, im optischen Quantencomputing und der Holographie einsetzen lassen. Auf der anderen Seite sind das hochauflösende OLED-Mikrodisplays mit aktuell bis zu 2.048 x 2.048 Pixeln für Datenbrillen und andere kompakte Anzeigesysteme.

„Integrierte Photonik eröffnet neue Möglichkeiten, optische und elektronische Funktionen in kompakten Systemen zusammenzuführen“, sagt Prof. Dr. Wenke Weinreich, Institutsleiterin am Fraunhofer IPMS. „Mit unseren Kompetenzen in der Entwicklung und Fertigung wollen wir dazu beitragen, diese Technologien für neue Anwendungen nutzbar zu machen. Entscheidend ist dabei, die gesamte Entwicklungskette von der Technologie bis zum integrierten System zu betrachten.“

Skalierung der 300-mm-Fertigung

Strategisch zielt das Institut auf zwei Punkte: die Skalierung der 300-mm-Fertigung sowie neue Integrationsansätze, etwa die monolithische oder hybride Kombination der SiN-Plattform mit aktiven Bauelementen. Durch Kooperationen mit Industriepartnern will das IPMS kundenspezifische Pilotfertigungen realisieren und Entwicklungen direkt an Produktanforderungen ausrichten. Hier nennt das Institut Medizintechnik, Automotive und Quantensysteme als mögliche Zielbranchen.

„Der Austausch mit unseren Industriepartnern ist ein wichtiger Baustein, um technologische Entwicklungen frühzeitig an den Anforderungen zukünftiger Märkte auszurichten und gemeinsam neue Lösungen zu entwickeln“, so Weinreich abschließend. (heh)

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