Photonische Mikrosysteme "from Fab to Lab"
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS ist international führender FuE-Dienstleister für elektronische und photonische Mikrosysteme. Vor diesem Hintergrund befassen sich die Forscher auch mit Neuromorphic Computing und verschiedenen Aspekten der Quantentechnologien.
Die Reinräume am Fraunhofer IPMS sind im Industriestandard ausgestattet:
- 1.500 m² MEMS- und MOEMS-Reinraum (Klasse 4 nach ISO 14644-1) - von Prozessentwicklung bis zur Pilotfertigung (200 mm)
- 300 m² Mikrodisplay-Reinraum Klasse 5 nach ISO 14644-1) - Pilotlinie für Mikrodisplays und Sensoren (200 mm)
- 2.700 m² CMOS-Reinraum (Klasse 6 und 3 nach ISO 14644-1) - Entwicklungsdienstleistungen auf 300mm-Wafern im Bereich FEoL und BEoL für die Mikroelektronik
Umfangreiche Analytik- und Charakterisierungstools vervollständigen das Angebot.
Durch seine Forschung in Schlüsseltechnologien fördert das Fraunhofer IPMS die Entwicklung unabhängiger und nachhaltiger Lösungen, die den Anforderungen des globalen Marktes gerecht werden. Das Institut arbeitet eng mit der Industrie zusammen, um Innovationen voranzutreiben und die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern.
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden
Neuromorphic Computing
Die zunehmende Digitalisierung treibt die Anforderungen an elektronische Hardware stetig an. Geschwindigkeit, Leistungsfähigkeit, Miniaturisierung und Energieeffizienz werden zunehmend wichtiger, wenn es darum geht, Anwendungen im Bereich Big Data und Künstlicher Intelligenz (KI) zu ermöglichen.
Einen vielversprechenden Lösungsansatz bietet das sogenannte Neuromorphic Computing, bei dem die selbstorganisierende und selbstlernende Natur des Gehirns nachgebildet werden soll. Das Fraunhofer IPMS entwickelt vor allem für Anwendungen im Edge-Bereich Materialien, Technologien und komplette Hardware-Lösungen mit hoher Energieeffizienz.
Die technologischen Entwicklungen werden in verschiedenen Ausbaustufen verfolgt. Die sogenannten „tiefen neuronalen Netze“ (deep neural networks, DNN) sind mit Hilfe klassischer Technologien (z.B. SRAM oder Flash-basiert) schon in der Anwendung angekommen und bilden zunächst die Parallelität und Effizienz des Gehirns nach. Eine weitere Miniaturisierung und Reduzierung des Energieverbrauchs für Edge-Anwendungen ist unter Verwendung neuer, innovativer Technologien möglich. Die darauffolgende Generation der sogenannten „Spiking Neural Networks“ (SNN) versucht, zusätzlich die zeitliche Komponente der Funktionalität von Neuronen und Synapsen physikalisch nachzubilden, was eine noch höhere Energieeffizienz und Plastizität ermöglicht. Auch hier sind innovative Technologiekonzepte gegenüber klassischen Technologien vielversprechend.
Für beide Generationen neuromorpher Hardware erforscht das Fraunhofer IPMS Crossbar-Architekturen, die auf nichtflüchtigen Speichern, den ferroelektrischen Feldeffekttransistoren beruhen. Dies geschieht innerhalb verschiedener europäischer (TEMPO, ANDANTE, STORAIGE) und Fraunhofer-intern geförderter Projekte. Besonders innovative Materialforschung für zukünftige SNNs mittels Li-basierter Systeme wird innerhalb des sächsischen Projektes MEMION betrieben.
Das Fraunhofer IPMS arbeitet an neuen, nichtflüchtigen Speichertechnologien auf Basis von ferroelektrischem Hafniumdioxid (HfO2) für analoge und digitale neuromorphe Schaltungen. Ferroelektrische Materialien zeichnen sich durch eine Änderung ihrer Polarisation bei Anlegen eines elektrischen Feldes aus. Nach Abschalten der Spannung bleibt der Polarisationszustand erhalten. Mittels dieser ferroelektrischen Feldeffekttransistoren (FeFET) auf Basis von Hafniumdioxid im 28- bzw. 22-nm-Technologieknoten können die für Deep-Learning Algorithmen notwendigen Gewichtswerte nicht nur direkt im Chip abgespeichert, sondern auch mit diesen gerechnet werden (sog. In-Memory-Computing). Ähnlich dem menschlichen Gehirn ist die Hardware-Architektur der Chips so aufgebaut, dass Informationen bereits im System gespeichert und nichtflüchtig sind. Ein komplizierter Datentransfer zwischen Prozessor und Speicher ist nicht notwendig; die Denkleistung erfolgt bereits auf dem Chip.
Im Gegensatz zu den bisher verwendeten perovskitbasierten Materialien sind Hafniumoxid-basierte Speicher CMOS-kompatibel, bleifrei und bis hin zu sehr kleinen Technologieknoten skalierbar. Als einziges nichtflüchtiges Speicherkonzept werden ferroelektrische Speicher rein elektrostatisch betrieben und sind daher besonders stromsparend, da zum Schreiben von Daten nur noch die Umladeströme der Kapazitäten aufgewendet werden müssen. Die Speicher- und Chipentwicklung wird hierbei entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der angewandten Materialforschung, Bauelemententwicklung, Integrationsarchitektur über die IP-Generierung bis hin zu integrierten Systemen getrieben.
IC-Design-Kompetenzen
Das Design anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen ermöglicht die Herstellung hochkomplexer mikroelektronischer Bauelemente wie Mikrodisplays und optoelektronischer Sensoren. Die Methodik dieses Designprozesses basiert auf Schaltungssimulation, Layout-Design und Verifizierung. Das Fraunhofer IPMS in Dresden erstellt diese Designs mit branchenüblichen Softwaretools und implementiert sie in Zusammenarbeit mit Silizium-Foundries weltweit in gemischten analogen / digitalen CMOS-Prozessen. Nach der Herstellung der Schaltungen in Silizium wird die Funktionalität durch Tests auf Wafer- und Komponentenebene verifiziert, anschließend werden Prototypen erstellt. Die Übertragung in die Pilotproduktion kann dann auf projektbezogener Basis erfolgen.
Das Fraunhofer IPMS nimmt eine einzigartige Position im Design mikroelektronischer Schaltungen und Komponenten ein, da es anwendungsspezifische und kundenspezifische Anpassungen der CMOS-Prozesse von Siliziumschaltungsfabriken vornimmt, die es ermöglichen, die fertigen Wafer anschließend beispielsweise mit OLED-Schichten zu versehen. Diese Nachbearbeitung wird insbesondere zur Erweiterung der Funktionalität von Silizium-CMOS-Wafern um optische und photonische Komponenten genutzt, beispielsweise für hochauflösende OLED-Mikrodisplays.
- Entwurf mikroelektronischer Schaltungen und Module durch anwendungsspezifische Anpassung von CMOS-Prozessen
- Industriekompatible Schaltungssimulation, Layout-Entwurf und Verifizierung
- Implementierung in gemischten analogen/digitalen CMOS-Prozessen von Silizium-Schaltungsfabriken
- Prototypenfertigung, Übergang zur Pilotproduktion
Quantentechnologien
Das Fraunhofer IPMS forscht an zentralen Bausteinender Quantenkommunikation – von der Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) bis zur Quanten-Zufallszahlengenerierung (Quantum Random Number Generation, QRNG) – und entwickelt industrienahe Lösungen, die sowohl für wissenschaftliche Kooperationen als auch für technologische Transferprojekte geeignet sind.
Quantencomputing „Made in Europe“ - das Fraunhofer IPMS forscht an supraleitenden Qubits, Spin-Qubits, photonenbasierten Qubits und Neutralatom-Qubits. Das Fraunhofer IPMS gestaltet die Zukunft der Quantentechnologien aktiv mit. Im Zentrum der Arbeit steht die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer-Hardware, die von der Materialforschung bis zur industriellen Integration reicht. Mit seiner 200 mm- und 300 mm-Halbleiterfertigung, der Expertise in Photonik, Nanoelektronik und Mikrosystemtechnik sowie der engen Kooperation mit Industriepartnern schafft das Fraunhofer IPMS die Brücke zwischen Forschung und Anwendung.
Quantum Foundry „from Lab to Fab“ – Basis für skalierbare Quantencomputer: Die Quantenfertigung ist ein zentraler Baustein für die Technologiesouveränität Sachsens, Deutschlands und Europas. Das Fraunhofer IPMS bündelt sein Know-how in Mikro- und Nanotechnologien, Halbleiterprozessen sowie Aufbau- und Verbindungstechnik, um die Voraussetzungen für skalierbare Quantencomputer zu schaffen. Am Fraunhofer IPMS liegt der Fokus auf der herstellungstechnischen Umsetzung von Qubits, der Integration von Steuerungs- und Auslesesystemen sowie der Material- und Prozessentwicklung. Kryotechnik, präzise Messtechnik und modulare Systemarchitekturen ergänzen die Forschungsaktivitäten. Mit diesem Ansatz wird das Prinzip „from Lab to Fab“ konsequent umgesetzt – vom Labor zur industriellen Fertigung.
Quantensensorik gilt als zentraler Innovationstreiber innerhalb der modernen Quantentechnologien. Mit CMOS-integrierten NV-Sensoren entwickelt das Fraunhofer IPMS eine Plattform, die hochsensitive Quantenmagnetometrie bei Raumtemperatur ermöglicht und gleichzeitig die Skalierbarkeit, Robustheit und Energieeffizienz moderner Mikroelektronik nutzt. Diese Kombination aus Quantenmetrologie, Photonik und industriell kompatibler CMOS-Technologie eröffnet neue Anwendungsperspektiven für Forschung, Medizintechnik, Industrie, Energieinfrastruktur und Navigation.
Fraunhofer IPMS: Quantentechnologien