Das Fraunhofer IAF wurde als viertes Institut der Fraunhofer-Gesellschaft unter dem Namen »Institut für Elektrowerkstoffe« (IEW) aus dem Institut für physikalische Chemie der Universität Freiburg heraus gegründet. Institutsleiter Reinhard Mecke hatte vom 1955 neu geschaffenen Bundesministerium für Verteidigung den Auftrag, die Eigenschaften von Werkstoffen zu untersuchen, »soweit sie für elektrische Zwecke in Frage kamen«. Schwerpunkte waren von Anfang an die Infrarot-, die Mikrowellen- sowie die Halbleiter- und Lumineszenzphysik. Der Fokus lag auf Anwendungen für die Verteidigung wie Tarnung oder Anpeilung von Objekten.

Mit Adolf Goetzberger wurde 1968 ein Halbleiterforscher aus den USA zurückgeholt. Er sollte das Institut in ein Zentrum für Halbleiterforschung und Festkörperphysik umbauen. Programmatisch war die Umbenennung 1970 von IEW in »Institut für angewandte Festkörperphysik« (IaFP), später dann IAF. 1978 waren am Fraunhofer IAF ca. 110 Mitarbeiter/innen in den Abteilungen Festkörperphysik, Halbleiter, Festkörperchemie (Kristallzucht), Flüssigkristalle, Infrarotphysik und Mikrowellenphysik beschäftigt, bei einem Etat von ca. 6 Mio. DM. In der Kristallzucht arbeitete man bereits mit den später als Materialbasis dienenden II/VI- und III/V-Verbindungshalbleitern.

Die von Goetzberger angestrebte Öffnung für zivile Forschung mündete 1973 in eine Vereinbarung zwischen Verteidigungs- und Forschungsministerium über ein auf das gemeinsame Interesse abgestimmtes Finanzierungsmodell. Basierend auf den Arbeiten der Abteilung Displayphysik/Flüssigkristalle zu Fluoreszenz-Solarkollektoren, richtete Adolf Goetzberger 1980 die selbständige Abteilung für »Solarenergie« (ASE) ein. Daraus ging am 1. Juli 1981 das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hervor, welches Goetzberger bis zu seinem Ruhestand 1993 leitete.

Gerhard Meier, bisher stellvertretender Institutsleiter, sorgte nach Goetzbergers Wechsel an das Fraunhofer ISE vier Jahre lang als kommissarischer Leiter für die kontinuierliche Fortführung der Institutsarbeit. Während der Berufungsbemühungen kristallisierte sich als künftiges Profil für das IAF die Konzentration auf die III/V-Verbindungshalbleiter heraus. Trotz der Abspaltung des Fraunhofer ISE hatte das IAF in dieser Zeit immer noch über 100 Mitarbeiter/innen, die auf bis zu 11 verschiedene Standorte verteilt waren. Eine erste große Verbesserung der Forschungsinfrastruktur brachte 1984 der Kauf des Gebäudes Sonnenstraße, in dem erstmals ein Reinraum der Klasse 100 mit einer Pilotlinie für die Halbleiterprozessierung eingerichtet wurde.

Mit Hans S. Rupprecht konnte 1985 erneut ein Festkörperphysiker und Spezialist für Verbindungshalbleiter aus den USA gewonnen werden. Nach Tätigkeiten am Siemens-Forschungslabor in Erlangen und am Forschungszentrum von IBM in Yorktown Heights, New York, sollte er die Gallium-Arsenid-Technologie als Kernkompetenz des Fraunhofer IAF verankern. Das IAF übernahm die Federführung des vom Bundesforschungsministerium geförderten Gallium-Arsenid-Elektronik-Verbunds, dem das vom IAF konzipierte BMFT-Verbundprogramm III/V-Halbleiterelektronik folgte. Mit Unterstützung beider Ministerien BMVg und BMBF konnte endlich die beengte Raumsituation gelöst werden.

Das IAF zog 1991 in das Institutsgebäude in der Tullastraße mit 10 000 m² Nutzfläche und einem ca. 1 000 m² großen Reinraum bis zur Reinheitsklasse 10 ein. Im Bereich der militärischen F&T wurden Arbeiten auf der Basis von GaAs auf den Gebieten der Technologieentwicklung, der Hochfrequenzelektronik und neu auch der Infrarotdetektoren durchgeführt. Aufgrund ihres hohen Dual-Use-Potenzials war die GaAs-Technologie für viele Anwendungen attraktiv. So konnten die Forschungsaktivitäten erheblich gesteigert werden. Die Zahl der Mitarbeiter/innen war in zehn Jahren auf über 200, der Etat auf ca. 28 Mio. DM gestiegen.

Im Jahr 1995 trat Günter Weimann das Amt des Institutsleiters an. Vom Walter-Schottky-Institut der TU-München brachte er Expertise in der III/V-Prozesstechnologie und besonders in der Molekularstrahlepitaxie mit. Weimanns Zielsetzung war von Anfang an die Ausrichtung der Forschung an den Bedürfnissen der Industrie. Seine Anforderungen an die Prozesstechnologie waren Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit und Transferierbarkeit. Nach Aufgabe der GaAs-Sparte von Siemens bzw. Infineon richtete sich das Augenmerk auf neue Technologien und neue Materialsysteme wie GaSb, InP und GaN, aber es wurden auch neue Partnerschaften wie mit NXP (founded by Philips), UMS, Alcatel und Osram bzw. strategische Kooperationen mit EADS und AIM Infrarot-Module eingegangen.

Eigene Ausgründungen wie EpiNova, m2k-laser und Diamond Materials ergänzten das Industrie-Portfolio. Eine im europäischen Vergleich herausragende Stellung wurde in der GaN-Technologie für Leistungselektronik erzielt, welche schon bald für den industriellen Einsatz in den Bereichen Mobilfunk und luftgestützter Radarsysteme vorgesehen ist.

In der Infrarottechnik wurden hochleistungsfähige Infrarotdetektoren entwickelt, für die IAF-Wissenschaftler 2001 den Wissenschaftspreis des Stifterverbands verliehen bekamen, und jüngst im Jubiläumsjahr ging der Landesforschungspreis Baden-Württemberg für Sb-basierende Detektoren für eine weltweit erste Zweifarben-Wärmebildkamera an das IAF.

Auch im Geschäftsfeld Laser und LEDs wurden bemerkenswerte Innovationsleistungen erbracht: Eine wesentliche Erfindung zur weißen Leuchtdiode in Kooperation mit Osram wurde durch Patenterteilung, Josef-von-Fraunhofer-Preis und Sonderbriefmarke zum 50-jährigen Fraunhofer-Jubiläum belohnt und 2002 wurde der Landesforschungspreis Baden-Württemberg für die Entwicklung hochbrillanter Trapez-Laser an ein IAF-Team vergeben.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Oliver Ambacher zählt das Institut zu den weltweit wenigen Forschungseinrichtungen, die die gesamte Wertschöpfungskette auf dem Gebiet der III/V-Verbindungshalbleiter auf höchstem internationalem Niveau beherrschen. Besondere Stärken besitzt das IAF in den Bereichen der Realisierung von leistungsstarken Infrarotlasern und besonders empfindlichen, mehrfarbigen Infrarot-Kameras sowie in der Realisierung von elektronischen Hochfrequenz-Schaltungen und Leistungsverstärkern mit einer Performance, die durch die Silicium-Technologie nicht erreicht ist. Bekannt ist das Institut auch durch seine Fertigung von Diamant-basierten optischen und mechanischen Bauelementen die seit jüngster Zeit auch in den neuen Aktivitäten des IAF zur Entwicklung von mikromechanischen Bauelementen mit sensorischen Applikationen genutzt werden.

Mit seinen Forschungsaktivitäten im Bereich der Nano-/Mikroelektronik und Mikrooptik bringt sich das Fraunhofer IAF aktiv in die Gesamtstrategie des Verbundes für Mikroelektronik ein. Module und Systeme mit Applikationen in den Bereichen von Schutz und Sicherheit sind wichtige Beiträge des IAFs zur Realisierung der Strategie des Verbundes für Verteidigung und Sicherheit.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden von 252 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern erbracht, die einen Gesamthaushalt des Instituts im Jahr 2010 von etwa 26 Mio. € erwirtschaftet haben. Die Personalstruktur des Instituts beinhaltet 113 Wissenschaftler und Ingenieure, 66 Techniker und 33 Hilfskräfte, die durch 67 Mitarbeiter des Verwaltungs- und technischen Personals unterstützt werden. Im Jahr 2010 arbeiten 38 Studenten am IAF an ihren Diplom- und Doktorarbeiten.