Imec treibt die Entwicklung skalierbarer Supraleitertechnologie mit weltweit ersten NbTiN-Schaltkreisen und 30-nm-Verbindungen voran

Abbildung 1 – TDSEM- und TEM-Aufnahme eines Josephson-Kontakts aus 2ML αSi-NbTiN

Abbildung 2 – TEM-Aufnahme von 3ML NbTiN-Drähten und Durchkontaktierungen

Abbildung 3 – Vergleich der Drahtskalierung zwischen bei imec hergestellten NbTiN-Drähten und hochmodernen supraleitenden Drähten. TEM-Aufnahme eines 50 nm dicken und 30 nm breiten NbTiN-Drahtes (eingeblendet)

– Auf der Konferenz „Applied Superconductivity“ 2026 präsentiert imec zwei Weltneuheiten: (1) einen Josephson-Kontakt auf Basis von Niob-Titan-Nitrid (NbTiN) mit drei Metallschichten (3ML), die eine Schaltungsdichte von 3,8 Millionen Übergängen pro cm2 erreicht; und (2) eine 3ML-NbTiN-Leitungsführung mit supraleitenden Drähten, deren Leitungsbreite für supraleitende digitale (SCD-)Anwendungen auf beispiellose 30 nm reduziert wurde.
– Diese Erfolge erweitern die vielseitige Forschungsplattform von imec für supraleitende Technologien auf NbTiN-Basis, deren Schwerpunkt auf HPC und KI der nächsten Generation sowie auf neuartigen Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Steuerlogik für Quantencomputer, Photonik und neuromorphe Rechenanwendungen liegt.
– Die Forschungsplattform von Imec für supraleitende Technologien basiert auf dem 300-mm-Prozess, der mit CMOS-Prozessen kompatibel ist, und umfasst die gemeinsame Optimierung von Technologien und Prozessen, Bauelementen, integrierten Schaltungen sowie Architektur- und systembezogenen Kennzahlen.
– „Wir sind bereit, unsere NbTiN-Supraleitertechnologie auf die nächste Ebene zu heben und gemeinsam mit Industriepartnern ein neuartiges Programm für supraleitende Digitaltechnik zu starten, das sich an Foundries, Hyperscaler sowie Systemhersteller richtet.“ – Richard Rouse, imec.

Anfang September 2026 präsentierte imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Entwicklungszentrum für fortschrittliche Halbleitertechnologien, auf der „Applied Superconductivity Conference (ASC) 2026“ eine auf Niob-Titan-Nitrid (NbTiN) basierenden Josephson-Kontakt-Schaltung mit drei Metallebenen (3ML), die eine Schaltungsdichte von 3,8 Millionen Übergängen pro cm2 erreicht – eine Weltpremiere. Darüber hinaus wurde ein 3ML-NbTiN-Routing mit supraleitenden Drähten demonstriert, deren Leitungsbreite auf beispiellose 30 nm reduziert wurde. Diese Ergebnisse stärken die vielseitige, auf NbTiN basierende Forschungsplattform von imec für supraleitende Technologien, die für HPC- und KI-Anwendungen der nächsten Generation vorgesehen ist und für gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit Industriepartnern zur Verfügung steht. Das Programm von imec für supraleitende digitale Schaltungen basiert auf CMOS-kompatibler Prozesstechnologie, Design sowie heterogener 2,5D- und 3D-Integration. Neben HPC- und KI-Anwendungen sieht das Programm auch Anwendungen in den Bereichen Steuerlogik für Quantencomputer, Photonik und neuromorphes Rechnen vor.

Die Supraleitertechnologie verspricht, den wachsenden Anforderungen im Bereich des Hochleistungsrechnens (HPC) und der Rechenbeschleuniger für künstliche Intelligenz (KI) gerecht zu werden. Sie hat das Potenzial, die derzeit modernste CMOS-Technologie hinsichtlich Energieeffizienz (100-fach), Rechendichte (1.000-fach) und Übertragungsbandbreite (1.000-fach) deutlich zu übertreffen. Im Frontend der Bauelemente nutzt die Supraleitertechnologie die schnelle und energieeffiziente Logik, die Josephson-Kontakt-Schaltungen bieten. Im Backend sorgen supraleitende Verbindungen für einen elektrischen Widerstand von Null, wodurch Daten mit extrem geringen Energie- und Signalverlusten übertragen werden können.

Der herkömmlichen Supraleitertechnologie auf Niob (Nb)-Basis fehlt es jedoch an der Skalierbarkeit, die erforderlich ist, um das Potenzial dieser Technologie voll auszuschöpfen und den Weg für weitere Anwendungsbereiche zu ebnen. Imec geht das Problem der Skalierbarkeit mit einer vielseitigen Forschungsplattform für Supraleitertechnologie auf NbTiN-Basis an, die auf 300-mm-CMOS-kompatiblen Prozessen basiert. Die Entwicklungen zielen auf die gemeinsame Optimierung von Technologien und Prozessen, Bauelementen, integrierten Schaltungen sowie von Architektur- und Systemkennzahlen.

Auf der ASC 2026 präsentiert imec Josephson-Kontakt-Schaltungen auf NbTiN/aSi/NbTiN-Basis mit bis zu drei Metallebenen (MLs). Es werden Übergangsdurchmesser von nur 150 nm erreicht, was eine Schaltungsdichte von 3,8 Millionen Übergängen pro cm2 ermöglicht. Darüber hinaus werden drei Schichten hochdichter und verlustarmer NbTiN-Leitungen (Drähte und Durchkontaktierungen) demonstriert, die zur Integration von Induktivitäten, passiven Übertragungsleitungen, Masseflächen sowie Takt- oder Leistungsresonatoren genutzt werden können. Die NbTiN-Metallleitungen wurden auf eine Leitungsbreite von 30 nm verkleinert, was etwa zehnmal kleiner ist als das, was mit herkömmlicher Nb-basierter Technologie erreicht werden kann. Sowohl bei den Josephson-Übergangs-Schaltungen als auch bei den Verbindungsleitungen lassen sich die supraleitenden Eigenschaften (d. h. die kritische Stromdichte (Jc) bzw. der kritische Strom (Ic)) kontrollierbar abstimmen, um ein breites Spektrum an Zielanwendungen abzudecken.

Richard Rouse, Leiter des Programms für supraleitende Bauelemente bei imec: „Mit unserem Programm für supraleitende digitale Bauelemente richten wir uns an Foundries, Hyperscaler und Systemhersteller, um unsere NbTiN-Supraleitungstechnologie auf die nächste Stufe zu heben. Wir haben unser Programm auf drei Säulen aufgebaut: (1) Prozesstechnologie, (2) Design und EDA-Unterstützung sowie (3) Skalierung auf Systemebene mit Schwerpunkt auf 2,5D- und 3D-Integration, wobei die gemeinsame Integration supraleitender Bauelemente mit anderen Technologien im Mittelpunkt steht. Dieser heterogene Ansatz eröffnet Möglichkeiten über HPC und KI hinaus, darunter Quantensteuerung und -auslesung, neuromorphes Rechnen sowie hochauflösende Einzelphotonen-Detektion, die beispielsweise Anwendungen in der Raumfahrt und der Biomedizin unterstützt.“