Fraunhofer IPMS erzielt Fortschritte bei Chipintegration und energieeffizienten Speichertechnologien

Wie das Fraunhofer IPMS am 3. November 2026 mitteilte, konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten insbesondere auf die Kombination unterschiedlicher Halbleiterkomponenten, die Verringerung des Energieverbrauchs und die Entwicklung neuer Fertigungs- und Integrationsverfahren auf 200-mm- und 300-mm-Wafern.

„Künftige Halbleitersysteme werden zunehmend durch das Zusammenspiel spezialisierter Komponenten bestimmt. Entscheidend ist, Chiplets z. B. mit Speicher- oder photonischen Funktionen effizient zu integrieren und die dafür erforderlichen Prozesse unter industrienahen Bedingungen zu erproben“, erklärt Prof. Wenke Weinreich, Institutsleiterin des Fraunhofer IPMS.

Erste erfolgreiche Demonstration der Chiplet-Integration in Siliziumwafer

Ein zentraler Forschungsbereich ist die heterogene Integration verschiedener Halbleiterkomponenten. Im Rahmen der europäischen Pilotlinie APECS (Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems) entwickelt das Fraunhofer IPMS neue Verfahren, um separat gefertigte Chiplets, Speicher, Sensoren und photonische Bauelemente zu leistungsfähigen Gesamtsystemen zu verbinden.

Ein technologischer Schwerpunkt liegt auf der sogenannten quasi-monolithischen Integration (QMI). Bei diesem Verfahren werden Chiplets in speziell strukturierte Aussparungen eines Siliziumwafers eingebettet. Anschließend wird die Oberfläche planarisiert und für die weitere elektrische Verdrahtung vorbereitet.

Nach Angaben des Instituts konnte erstmals demonstriert werden, dass sich Chiplets auf diese Weise direkt in einen Siliziumwafer integrieren lassen. Dieser Entwicklungsschritt stellt einen wichtigen Meilenstein für die weitere Erforschung der Technologie dar.

Parallel dazu arbeitet das Fraunhofer IPMS an Verfahren zur 2,5D-Integration. Dabei werden mehrere Chiplets nebeneinander auf einem sogenannten Interposer angeordnet, der kurze elektrische Verbindungen mit hoher Dichte ermöglicht.

Beide Ansätze sollen dazu beitragen, unterschiedliche Halbleiterfunktionen effizient miteinander zu kombinieren und die Entwicklung komplexer elektronischer Systeme zu unterstützen.

Photonische Schaltkreise auf 200-mm- und 300-mm-Wafern

Neben der Chipintegration entwickelt das Fraunhofer IPMS Technologien für integrierte photonische Systeme. Im Mittelpunkt stehen elektrooptische Bauelemente und CMOS-kompatible Fertigungsverfahren auf 200-mm- und 300-mm-Wafern.

Eine wesentliche Grundlage bildet eine Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform (SiN), die für beide Wafergrößen verfügbar ist. Die Plattform zeichnet sich durch geringe optische Verluste über einen breiten Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zum mittleren Infrarot aus.

Damit schafft die Technologie die Grundlage für komplexe photonische Schaltkreise, die unter anderem in der optischen Datenverarbeitung, in hochempfindlichen Biosensoren und in Quantentechnologien eingesetzt werden können.

Die Integration elektronischer und optischer Funktionen auf Waferebene soll zudem eine kosteneffiziente Herstellung entsprechender Bauelemente in größeren Stückzahlen ermöglichen.

Ferroelektrische Speicher arbeiten mit weniger als einem Volt

Ein weiterer Forschungsbereich umfasst nichtflüchtige, energieeffiziente Speichertechnologien auf Basis von Hafniumoxid.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt hierfür ferroelektrische FRAM- und FeFET-Technologien sowie Referenzdesigns für eingebettete Speicher und KI-Beschleunigerschaltungen.

Nach Angaben des Instituts erreichen die Speicher Schaltzeiten im Nanosekundenbereich und arbeiten mit Betriebsspannungen von weniger als einem Volt. Gleichzeitig sollen sie eine hohe Zyklenfestigkeit und Zuverlässigkeit bieten.

Die Kombination aus niedriger Betriebsspannung, schnellen Schaltzeiten und nichtflüchtiger Datenspeicherung ist insbesondere für intelligente Sensorsysteme, eingebettete Anwendungen und energieeffiziente Edge-Computing-Lösungen relevant.

Solche Anwendungen erfordern zunehmend leistungsfähige Speicher, die bei geringem Energieverbrauch schnelle Datenverarbeitung ermöglichen und Informationen auch ohne dauerhafte Stromversorgung erhalten.

Europäische Pilotlinien unterstützen industrielle Umsetzung

Die Weiterentwicklung der Technologien erfolgt unter anderem im Rahmen der europäischen Pilotlinien APECS und FAMES. Beide Initiativen sollen dazu beitragen, neue Halbleitertechnologien unter industrienahen Bedingungen zu erproben und den Übergang von der Forschung zur industriellen Anwendung zu erleichtern.

APECS ist Teil der Initiative „Chips for Europe“ im Rahmen des EU Chips Act und wird unter Leitung der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) gemeinsam mit europäischen Partnern aufgebaut.

Über die Technologieplattformen erhalten externe Unternehmen und Forschungspartner Zugang zu neuen Fertigungs- und Integrationsverfahren. Sie können eigene Schaltungsentwürfe und Teststrukturen fertigen lassen und diese für spezifische Anwendungen evaluieren.

„Für eine wettbewerbsfähige Mikroelektronik in Europa müssen neue Technologien den Weg aus der Forschung in die Anwendung finden. Entscheidend sind dafür verlässliche Prozessketten und Möglichkeiten zur industrienahen Erprobung“, betont Weinreich.

Mit den Entwicklungen in der Chiplet-Integration, der integrierten Photonik und bei ferroelektrischen Speichern will das Fraunhofer IPMS die technologischen Grundlagen für leistungsfähigere und energieeffizientere Halbleitersysteme schaffen.