Imec bevordert de ontwikkeling van schaalbare supergeleidertechnologie met 's werelds eerste NbTiN-circuits en 30-nm-verbindingen

Figuur 1 – TDSEM- en TEM-opname van een Josephson-contact uit 2ML αSi-NbTiN

Figuur 2 – TEM-opname van 3ML NbTiN-draden en doorverbindingen

Figuur 3 – Vergelijking van de draadskalering tussen NbTiN-draden geproduceerd door imec en geavanceerde supergeleidend draden. TEM-opname van een 50 nm dikke en 30 nm brede NbTiN-draad (in de afbeelding)

– Tijdens de conferentie „Applied Superconductivity“ 2026 presenteert imec twee wereldprimeurs: (1) een Josephson-contact op basis van Niobium-Titan Nitrid (NbTiN) met drie metalenlagen (3ML), die een schakeldichtheid van 3,8 miljoen overgangen per cm2 bereikt; en (2) een 3ML-NbTiN-geleiding met supergeleidende draden, waarvan de geleidingsbreedte voor supergeleidende digitale (SCD-) toepassingen tot een ongeëvenaarde 30 nm is gereduceerd.
– Deze successen breiden het veelzijdige onderzoeksplatform van imec voor supergeleidende technologieën op NbTiN-basis uit, met de focus op HPC en KI van de volgende generatie, evenals op nieuwe toepassingsmogelijkheden in de besturingslogica voor quantumcomputers, fotonica en neuromorfe rekenapplicaties.
– Het onderzoeksplatform van imec voor supergeleidende technologieën is gebaseerd op het 300-mm-proces, dat compatibel is met CMOS-processen, en omvat de gezamenlijke optimalisatie van technologieën en processen, componenten, geïntegreerde schakelingen, evenals architectuur- en systeemgerelateerde parameters.
– „We zijn klaar om onze NbTiN-supergeleidende technologie naar een hoger niveau te tillen en samen met industriële partners een nieuw programma voor supergeleidende digitale technologie te starten, gericht op foundries, hyperscalers en systeemfabrikanten.“ – Richard Rouse, imec.

Begin september 2026 presenteerde imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en ontwikkelingscentrum voor geavanceerde halfgeleidertechnologieën, op de „Applied Superconductivity Conference (ASC) 2026“ een op Niobium-Titan Nitrid (NbTiN) gebaseerde Josephson-contactschakeling met drie metalenlagen (3ML), die een schakeldichtheid van 3,8 miljoen overgangen per cm2 bereikt – een wereldprimeur. Daarnaast werd een 3ML-NbTiN-routing met supergeleidende draden gedemonstreerd, waarvan de geleidingsbreedte tot een ongeëvenaard 30 nm is gereduceerd. Deze resultaten versterken het veelzijdige, op NbTiN gebaseerde onderzoeksplatform van imec voor supergeleidende technologieën, dat bedoeld is voor HPC- en KI-toepassingen van de volgende generatie en beschikbaar is voor gezamenlijke onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten met industriële partners. Het programma van imec voor supergeleidende digitale schakelingen is gebaseerd op CMOS-compatibele procestechnologie, ontwerp en heterogene 2,5D- en 3D-integratie. Naast HPC- en KI-toepassingen voorziet het programma ook in toepassingen in de besturingslogica voor quantumcomputers, fotonica en neuromorf rekenen.

De supergeleidende technologie belooft te voldoen aan de groeiende eisen op het gebied van high-performance computing (HPC) en rekenversnellers voor kunstmatige intelligentie (KI). Ze heeft het potentieel om de huidige meest geavanceerde CMOS-technologie aanzienlijk te overtreffen op het gebied van energie-efficiëntie (100-voud), reken dichtheid (1.000-voud) en overdrachtssnelheid (1.000-voud). In de front-end van de componenten maakt de supergeleidende technologie gebruik van snelle en energiezuinige logica die Josephson-contactschakelingen bieden. In de backend zorgen supergeleidende verbindingen voor een elektrische weerstand van nul, waardoor gegevens met extreem lage energie- en signaalverliezen kunnen worden overgedragen.

De conventionele supergeleidende technologie op basis van Niobium (Nb) mist echter de schaalbaarheid die nodig is om het potentieel van deze technologie volledig te benutten en de weg vrij te maken voor verdere toepassingsgebieden. Imec pakt het schaalbaarheidsprobleem aan met een veelzijdig onderzoeksplatform voor supergeleidende technologie op NbTiN-basis, gebaseerd op 300-mm-CMOS-compatibele processen. De ontwikkelingen richten zich op de gezamenlijke optimalisatie van technologieën en processen, componenten, geïntegreerde schakelingen, evenals architectuur- en systeembrede parameters.

Op de ASC 2026 presenteert imec Josephson-contactschakelingen op NbTiN/aSi/NbTiN-basis met tot drie metalenlagen (MLs). Er worden overgangsdia’s van slechts 150 nm bereikt, wat een schakeldichtheid van 3,8 miljoen overgangen per cm2 mogelijk maakt. Daarnaast worden drie lagen hoogdichte en verliesarme NbTiN-geleidingen (draden en doorverbindingen) gedemonstreerd, die kunnen worden gebruikt voor de integratie van inductoren, passieve transmissielijnen, massa’s, evenals klok- of vermogensresonatoren. De NbTiN-metalen lijnen zijn verkleind tot een breedte van 30 nm, ongeveer tien keer kleiner dan wat met traditionele Nb-technologie mogelijk is. Zowel bij de Josephson-overgangschakelingen als bij de verbindingen kunnen de supergeleidende eigenschappen (d.w.z. de kritische stroomdichtheid (Jc) en de kritische stroom (Ic)) controleerbaar worden afgestemd, om een breed scala aan doeltoepassingen te dekken.

Richard Rouse, hoofd van het programma voor supergeleidende componenten bij imec: „Met ons programma voor supergeleidende digitale componenten richten we ons op foundries, hyperscalers en systeemfabrikanten om onze NbTiN-supergeleidende technologie naar een hoger niveau te tillen. We hebben ons programma opgebouwd rond drie pijlers: (1) procestechnologie, (2) ontwerp en EDA-ondersteuning, en (3) schaalvergroting op systeembasis met de nadruk op 2,5D- en 3D-integratie, waarbij de gezamenlijke integratie van supergeleidende componenten met andere technologieën centraal staat. Deze heterogene aanpak opent mogelijkheden die verder gaan dan HPC en KI, waaronder quantumcontrole en -detectie, neuromorf rekenen en hoogresolutie single-photon detectie, die bijvoorbeeld toepassingen in de ruimtevaart en biomedisch onderzoek ondersteunen.“