imec rozwija technologię nadprzewodnikową – pierwsze na świecie układy NbTiN i połączenia 30 nm

7 września br. w Belgii odbyła się konferencja Applied Superconductivity Conference (ASC) 2026. Centrum badawczo-rozwojowe imec zaprezentowało na niej układ ze złączami Josephsona. Firma ta specjalizuje się w zaawansowanych technologiach półprzewodnikowych. Układ oparto na azotku niobu i tytanu (NbTiN) z trzema warstwami metalowymi (3ML – 3 Metal Layer). Uzyskano w nim gęstość projektową wynoszącą 3,8 mln złączy na cm², co jest nowością na skalę światową. Zademonstrowano ponadto trasowanie 3ML NbTiN z zastosowaniem ścieżek nadprzewodzących o niespotykanej dotąd szerokości wynoszącej 30 nm.

Wyniki te wzmacniają wszechstronną platformę badawczą imec w zakresie technologii nadprzewodnikowej opartej na NbTiN. Wykorzystuje się ją w aplikacjach HPC (High Performance Computing) i AI nowej generacji. Technologia ta jest dostępna do wspólnych badań i rozwoju z partnerami przemysłowymi. W zakresie cyfrowej elektroniki nadprzewodnikowej program imec  koncentruje się na technologiach kompatybilnych z procesem CMOS. Bierze się go również pod uwagę przy projektowaniu układów oraz heterogenicznej integracji 2,5D i 3D. Przewiduje się również zastosowania programu w logice sterującej obliczeniami kwantowymi, fotonice oraz obliczeniach neuromorficznych.

Źródło: imec

Technologia nadprzewodnikowa w przyszłości

Technologia nadprzewodnikowa ma szansę zaspokoić rosnące potrzeby w zakresie obliczeń o wysokiej wydajności (HPC) oraz akceleratorów obliczeniowych sztucznej inteligencji. Ma ona potencjał, by znacznie przewyższyć najnowocześniejszą technologię CMOS pod względem efektywności energetycznej (100-krotnie), gęstości obliczeniowej (1000-krotnie) oraz przepustowości transmisji (1000-krotnie). Na poziomie front-endu urządzenia, w technologii nadprzewodnikowej stosowana jest szybka i energooszczędna logika realizowana przez układy ze złączami Josephsona. Z kolei w backendzie połączenia nadprzewodnikowe zapewniają zerową rezystancję elektryczną. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie danych z wyjątkowo niskim zużyciem energii i przy niskiej utracie danych.

Źródło: imec

Konwencjonalna technologia nadprzewodnikowa oparta na niobie (Nb) nie zapewnia jednak skalowalności niezbędnej do pełnego wykorzystania potencjału tej technologii i otwarcia drzwi do zastosowań w innych dziedzinach. imec rozwiązuje problem skalowalności oferując wszechstronną platformę badawczą technologii nadprzewodnikowej opartej na NbTiN. Opiera się ona na procesach kompatybilnych z technologią CMOS 300 mm. Prace rozwojowe koncentrują się na wspólnej optymalizacji technologii i procesów, urządzeń, układów scalonych, a także architektury i wskaźników systemowych.

Układy ze złączami Josephsona na konferencji ASC 2026

W układach ze złączami Josephsona prezentowanych przez imec na konferencji ASC 2026 zademonstrowano trzy warstwy trasowania NbTiN o wysokiej gęstości i niskich stratach (ścieżki i przelotki). Mogą być one wykorzystywane do wbudowywania cewek indukcyjnych, pasywnych linii transmisyjnych, płaszczyzn uziemienia oraz rezonatorów zegarowych lub zasilających. Szerokość ścieżek metalowych z NbTiN zmniejszono do 30 nm. Stanowi to około 10-krotne zmniejszenie w porównaniu z tym, co można osiągnąć przy użyciu konwencjonalnej technologii opartej na Nb. Zarówno w układach ze złączami Josephsona, jak i z połączeniami międzysieciowymi, właściwości nadprzewodzące (gęstość prądu krytycznego (Jc) i prąd krytyczny (Ic)) można regulować w sposób kontrolowany. Tym samym możliwe jest dostosowanie tych parametrów do szerokiego zakresu docelowych aplikacji.

Źródlo: imec

– W ramach naszego programu cyfrowych układów nadprzewodnikowych kierujemy naszą ofertę do producentów półprzewodników, hiperskalerów i firm oferujących rozwiązania systemowe, aby przenieść naszą technologię nadprzewodnikową NbTiN na wyższy poziom. Nasz program opiera się na trzech filarach: (1) technologii procesowej, (2) projektowaniu i wsparciu EDA oraz (3) skalowaniu na poziomie systemowym, skupiającym się na integracji 2,5D i 3D, mającej na celu współintegrację urządzeń nadprzewodnikowych z innymi technologiami. To heterogeniczne podejście otwiera możliwości wykraczające poza obszary HPC i sztucznej inteligencji, obejmujące między innymi sterowanie i odczyt kwantowy, obliczenia neuromorficzne oraz detekcję pojedynczych fotonów o wysokiej rozdzielczości, wspierające np. zastosowania kosmiczne i biomedyczne – powiedział Richard Rouse, dyrektor programu cyfrowych układów nadprzewodnikowych w imec