Als Institut für angewandte Forschung mit einer breiten Themenvielfalt und starken inhaltlichen Synergien in der Mikro-, Nano- und Optoelektronik sowie den Quantentechnologien ist der Transfer innovativer Technologien in praktische Anwendungen in unseren F&E-Bestrebungen fest verankert. Darum sind wir stolz darauf, dass unsere Hardwarekomponenten in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen und so einen Beitrag zu einer modernen, nachhaltigen und sicheren Zukunft leisten – sei es in Form von leistungsstarken Sende- und Emp- fangssystemen für Bodenstationen und Satelliten oder modernster 3D-Hetero- integration für Chiplets, die den Elektronikmarkt der Zukunft prägen werden. Die Anwendungsfelder unserer Technologien sind so bunt und vielfältig wie die kreativen Köpfe, die hinter unseren Transfererfolgen stehen. As an institute for applied research with a broad range of topics and strong synergies in micro-, nano- and optoelectronics as well as quantum tech nologies, the transfer of innovative technologies into practical applications forms an integral part of our R&D efforts. We are proud that our hardware components are used in a wide range of applications, contributing to a modern, sustainable and secure future — whether in the form of high-performance transmission and receiver systems for ground stations and satellites, or the latest 3D heterointegra- tion for chiplets that will shape the electronics market of the future. The fields of application for our technologies are as diverse and manifold as the creative minds behind our transfer successes. sovereignty of Germany and Europe.

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Vorwort Preface Liebe Leserinnen und Leser, Dear Readers, unsere Rein- und Technologieräume sind das pulsierende Herz- stück unserer Forschung. Hier treffen einzigartige Infrastruktur und das herausragende Know-how unserer Mitarbeitenden aufeinander, um fortschrittlichste III-V-Halbleiter- und Quan- tentechnologien für die Innovationen von morgen zu realisie- ren. In Zeiten des Wandels und der Neuausrichtung geopoli- tischer Strukturen gehört die technologische Souveränität zu den zentralen Herausforderungen unserer Zeit – gerade jetzt ist es entscheidend, Schlüsseltechnologien für Europa zu ent- wickeln, zu skalieren und industriell umzusetzen. Als führendes Forschungsinstitut im Bereich III-V-Halbleiter und diamant- basierter Quantentechnologien tragen wir mit herausragender Forschung und exzellentem Technologietransfer maßgeblich zur Stärkung der europäischen Innovationskraft bei. Der Trans- fer ist nicht nur ein fester Bestandteil der Fraunhofer-DNA, sondern auch das Fundament unserer Arbeit. Seit einem Jahr führen wir das Fraunhofer IAF als Doppelspitze und dieses Jahr war geprägt von bedeutenden Fortschritten, neuen Initiativen und strukturellen Entwicklungen – ein beson- deres Beispiel ist der Start der APECS-Pilotlinie. Im Rahmen des »EU Chips Acts« arbeiten darin die kooperierenden Institute der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) eng mit weiteren europäischen Partnern zusammen, um resiliente technologische Strukturen aufzubauen und die Wettbewerbs- fähigkeit der europäischen Halbleiterindustrie zu stärken. Unser Dank für die Förderung gilt der EU, dem Bundesminis- terium für Bildung und Forschung sowie dem Land Baden- Württemberg. Für das Fraunhofer IAF geht mit der Arbeit an APECS der Ausbau unserer Infrastruktur und eine Umstellung der Fertigung auf größere Wafer einher – Maßnahmen, die den Technologietransfer in die Industrie erleichtern und die europäische Halbleiterproduktion nachhaltig stärken. Auch im Bereich Quantentechnologien setzen wir mit den Projekten Qu-Test und Qu-Pilot sowie dem Aufbau einer Lieferkette für Diamantwafer neue Maßstäbe zur Förderung der europäischen Souveränität. Our clean rooms and labs are the beating heart of our research. This is where unique infrastructure and the out- standing expertise of our employees come to gether to create the most advanced III-V semiconductor and quantum techno- logies for the innovations of tomorrow. In times of change and geopolitical realignment, technological sovereignty is one of the central challenges of our time — now more than ever, it is crucial to develop, scale up and implement key techno- logies for Europe on an industrial scale. As a leading research institute in the field of III-V semiconductors and diamond- based quantum technologies, we contribute significantly to strengthening Europe’s innovative power with outstanding research and excellent technology transfer. Transfer is not only an integral part of the Fraunhofer DNA, but also the founda- tion of our work. Starting last year, we have been leading Fraunhofer IAF as a team and this year has been marked by significant progress, new initiatives and structural developments — a great example is the launch of the APECS pilot line. Within the framework of the EU Chips Act, the cooperating institutes of the Research Fab Microelectronics Germany (FMD) are working closely with other European partners to build resilient technological structures and strengthen the competitiveness of the European semiconductor industry. We would like to thank the EU, the German Federal Ministry of Education and Research and the State of Baden-Württemberg, Germany, for their funding. For Fraunhofer IAF, the work on APECS goes hand in hand with the expansion of our infrastructure and a change of production to larger wafers — measures that facilitate techno- logy transfer to industry and sustainably strengthen European semiconductor production. In the field of quantum techno- logies, we are also setting new standards for the promotion of European sovereignty with the projects Qu-Test and Qu-Pilot and the development of a supply chain for diamond wafers. 2

Fraunhofer IAF 2022 / 2023 Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Inhaltsverzeichnis Contents Technologische Souveränität | Technological Sovereignity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Start der APECS-Pilotlinie für europäische Chiplet-Innovationen Launch of the APECS Pilot Line for European Chiplet Innovations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Interview: »Europa als unverzichtbarer Partner in der globalen Technologiebranche« Interview: “Europe as an indispensable partner in the global technology industry” . . . . . . . . . . . 14 Innovationsschub für Quanten technologien Made in Europe Driving Innovation in Quantum Technologies Made in Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Diamantwafer für industrielle Quantentechnologien Diamond Wafers for Industrial Quantum Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Europäische Wertschöpfung für GaN-Messlösungen im D-Band European Added Value for GaN Measurement Solutions in the D Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Transfer durch Applikationslabore | Transfer Through Application Laboratories . . . . . . . . . . . 26 Applikationslabor für Quantensensorik Application Laboratory for Quantum Sensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Interaktiv: Das virtuelle Applikationslabor für Quantensensorik Interactive: the Virtual Application Laboratory for Quantum Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Applikationslabor für Quantencomputing Application Laboratory for Quantum Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Applikationslabor für IR-Laser-Spektroskopie Application Laboratory for Infrared Laser Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Transfer durch Köpfe | Transfer Through People . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Interview: »Von der internationalen Expertise kann jedes Industrieunternehmen nur profitieren.« Interview: “Industrial companies can only benefit from such international expertise.” . . . . . . . . . 44 Wissenstransfer durch ehemalige Kolleginnen und Kollegen Knowledge Transfer Through Former Colleagues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Interview: »An meiner Arbeit begeistert mich, wie viel ich tun kann.« Interview: “What I love about my work is how much I get to do.” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Interview: »Es motiviert mich sehr, zu sehen, wie Forschung den Weg in die Praxis findet.« Interview: “It really motivates me to see how research finds its way into application.” . . . . . . . . . 54 Abschlussarbeiten | Theses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Interview: »Die Flexibilität in der Materialentwicklung ist wirklich außergewöhnlich.« Interview: “The flexibility in material development is truly exceptional.“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Zukunft gestalten: Berufliche Chancen am Fraunhofer IAF Shaping the Future: Career Opportunities at Fraunhofer IAF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Technologische Souveränität Technological Sovereignity Mit unserer Forschung im Bereich III-V-Halbleiter und diamantbasierte Quantentechnologien und unserem Fokus auf Technologietransfer tragen wir maßgeblich zur Stärkung der technologischen Souveränität von Europa bei. With our research in the field of III-V semiconductors and diamond-based quantum technologies and our focus on technology transfer, we are making a significant contribution to strengthening Europe’s technological sovereignty. 6

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Start der APECS-Pilotlinie für europäische Chiplet-Innovationen Launch of the APECS Pilot Line for European Chiplet Innovations Ende 2024 ist mit der Pilotlinie für »Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems« (kurz APECs) ein wichtiger Baustein des EU Chips Act gestartet. APECS zielt darauf ab, Chiplet-Innovationen voranzutreiben und die Forschungs- und Fertigungskapazitäten für Halbleiter in Europa zu erhöhen. Die in der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) kooperierenden Institute arbeiten eng mit weiteren europäischen Partnern am Aufbau der APECS-Pilotlinie und leisten damit maßgeblich einen Beitrag, Euro- pas technologische Resilienz zu stärken und somit auch die globale Wettbewerbs- fähigkeit in der Halbleiterindustrie zu steigern. At the end of 2024, the pilot line for Advanced Packaging and Heterogeneous Inte- gration for Electronic Components and Systems (APECs for short) was launched. It is an important building block of the EU Chips Act. APECS aims to advance chiplet innova tions and increase research and manufacturing capacities for semiconductors in Europe. The institutes cooperating in the Research Fab Microelectronics Germany (FMD) are working closely with other European partners on the development of the APECS pilot line, thus making a significant contribution to strengthening Europe’s technological resilience and increasing its global competitiveness in the semiconductor industry. Europäische Unternehmen stehen heute vor der Herausfor- derung, dass der Zugang zu fortschrittlichen Technologien aufgrund fehlender Ressourcen in Europa begrenzt ist. Die Europäische Kommission investiert im Rahmen des EU Chips Acts erhebliche Mittel in die Stärkung von Halbleitertechno- logien und -anwendungen in der EU. Damit sollen die techno- logische Resilienz Europas erhöht, Liefer- und Wertschöpfungs- ketten gesichert sowie Innovationen in Schlüsselbranchen, wie Künstliche Intelligenz, Mobilität, Produktion, Informations- und Kommunikationstechnologien, vertrauenswürdige und öko- logisch nachhaltige Elektronik sowie neuromorphes- und Quantencomputing vorangetrieben werden. European companies today face the challenge that access to advanced technologies is limited due to a lack of resources in Europe. The European Commission is investing significant resources in strengthening semiconductor technologies and applications in the EU under the EU Chips Act. The aim is to increase Europe’s technological resilience, secure supply and value chains, and drive innovation in key sectors such as artificial intelligence, mobility, manufacturing, information and communication technologies, trustworthy, environmentally sustainable electronics as well as neuromorphic and quantum computing. 8

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Die APECS-Pilotlinie setzt hier beim skalierbaren Industrietrans- fer neu entwickelter Innovationen im Bereich Heterointegra- tion, insbesondere beim Einsatz neuer Chiplet-Technologien an und schlägt so die Brücke zur anwendungsorientierten Forschung. APECS geht über herkömmliche »System-in- Package-Methoden« (SiP) hinaus und zielt darauf ab, robuste und vertrauenswürdige heterogene Systeme zu liefern, die die Innovationsfähigkeit der europäischen Halbleiterindustrie erheblich steigern. The APECS pilot line addresses this issue by focusing on the scalable industrial transfer of newly developed innovations in the field of heterointegration, particularly the use of new chiplet technologies, and thus builds a bridge to application- oriented research. APECS goes beyond conventional system- in-package (SiP) methodologies and aims to deliver robust and trustworthy heterogeneous systems that significantly increase the innovative capacity of the European semicon- ductor industry. APECS combines the technological expertise, infrastructu- re and know-how of a strong European consortium of ten partners from eight European countries: Germany (Fraunhofer- Gesellschaft as coordinator, FBH, IHP), Austria (TU Graz), Fin- land (VTT), Belgium (imec), France (CEA-Leti), Greece (FORTH), Spain (IMB-CNM, CSIC) and Portugal (INL). The APECS pilot line is coordinated by the Fraunhofer-Gesellschaft and imple- mented by the Research Fab Microelectronics Germany (FMD). Chiplet innovations for scalable industrial transfer The increasing performance and cost requirements for electro- nic components are increasingly pushing conventional semi- conductor chips to their technological limits. The pro cessing of large integrated circuits, as required for comprehensive functionalities, causes high costs because individual defects have an extremely strong effect on the yield of a single wafer. Furthermore, chemical and mechanical incompatibilities of vari- ous materials and layer structures limit the number of different technologies that can be realized on a single wafer. Heterointegration is a novel solution for efficiently increasing system functionality. In this approach, individual small compo- nents (so-called chiplets) are electrically or optically connected on a common substrate (interposer). The chiplet approach allows the individual technologies to undergo the optimal epitaxy and processing for each of them, and then, through low-loss integration, they form a highly functional, flexible and efficient system at chip size. This modularization also increases scalability, simplifies chip design and shortens the time to market for innovations. Chiplets offer significant advantages in the development and production of high-performance electronic and optical compo- nents, as they enable compact and highly efficient multifunc- tional systems. Combining different functions such as control logic and amplifiers on a single substrate (heterogeneous integration) improves both the performance and the energy efficiency of a system. In einem starken europäischen Konsortium bündelt APECS die technologischen Kompetenzen, Infrastrukturen und das Know-how von insgesamt zehn Partnern aus acht europäi- schen Ländern: Deutschland (Fraunhofer-Gesellschaft als Koordinator, FBH, IHP), Österreich (TU Graz), Finnland (VTT), Belgien (imec), Frankreich (CEA-Leti), Griechenland (FORTH), Spanien (IMB-CNM, CSIC) und Portugal (INL). Die APECS Pilotlinie wird von der Fraunhofer-Gesellschaft koordiniert und von der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) implementiert. Chiplet-Innovationen für skalierbaren Industrietransfer Die steigenden Performance- und Kosten-Anforderungen an elektronische Komponenten führen dazu, dass konventionelle Halbleiter-Chips zunehmend an ihre technologischen Grenzen stoßen. Die Prozessierung großer integrierter Schaltungen, wie sie für umfassende Funktionalitäten erforderlich sind, verur- sacht hohe Kosten, da einzelne Defekte sich extrem stark auf die Ausbeute eines einzelnen Wafers auswirken. Zudem sorgen chemische und mechanische Unverträglichkeiten verschiedener Materialien und Schichtstrukturen dafür, dass nur in begrenz- tem Umfang unterschiedliche Technologien auf einem Wafer realisiert werden können. Eine neuartige Lösung, um die Systemfunktionalität effizient zu steigern, besteht in der Heterointegration: Dabei werden einzelne kleine Komponenten (sogenannte Chiplets) auf einem gemeinsamen Substrat (Interposer) elektrisch oder optisch ver- bunden. Durch den Chiplet-Ansatz können die einzelnen Tech- nologien jeweils die für sie optimale Epitaxie und Prozessierung durchlaufen und bilden im Anschluss durch verlustarme Inte- gration ein hochfunktionales, flexibles und effizientes System auf Chipgröße. Diese Modularisierung erhöht außerdem die Skalierbarkeit, vereinfacht das Chipdesign und verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung von Innovationen. Chiplets bieten signifikante Vorteile bei der Entwicklung und Fertigung von besonders performanten elektronischen und optischen Komponenten, da sie kompakte und hocheffiziente multifunktionale Systeme ermöglichen. Die Kombination ver- schiedener Funktionen wie Ansteuerungslogik und Verstärker auf einem Träger (heterogene Integration) verbessert sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Energieeffizienz eines Systems. 10

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 In der industriellen Fertigung bieten 6-Zoll- Wafer (links) sowohl Kosteneinsparungen als auch eine Erhöhung der Produktivität und Qualität der Bauelemente im Vergleich zu klei- neren Größen wie einem 2-Zoll-Wafer (rechts). In industrial production, 6-inch wafers (left) offer both cost savings and an increase in the productivity and quality of the components as compared to a smaller size like the 2-inch wafer (right) Neue Prozesse und Anlagen Im Rahmen von APECS führt das Fraunhofer IAF im Bereich Materialwachstum und Prozesstechnologie umfassende technologische wie infrastrukturelle Maßnahmen durch. Im Reinraum des Instituts werden neue Anlagen für die Bereiche Epitaxie, Prozesstechnologie und Messtechnik beschafft und bis Ende 2027 in Betrieb genommen. New processes and facilities Within APECS, Fraunhofer IAF is implementing comprehen- sive technological and infrastructural measures in the area of material growth and process technology. New equipment for epitaxy, process technology and measurement technology is being procured for the institute’s clean room and will be put into operation by the end of 2027. In addition, existing processes for chiplet and interposer production will be significantly expanded and the integration methods will be fundamentally further developed. One impor- tant step, for example, is the introduction of chemo-mecha- nical polishing, which was specially developed for hetero- integration with silicon (Si). This method enables precise and clean connection of different material layers, which increases the performance of systems and offers new possibilities for integration. Another measure is research into the possibilities for introducing further wiring layers that are optimized for low losses. These additional layers increase signal integrity and improve energy efficiency. A decisive step towards miniaturization and increased perfor- mance is the production of ultrathin chiplets (only a few micro- meters thick), which allow a higher integration of functions in a smaller space and thus promote the development of compact high-performance systems. Complementary to the technological process lines, Fraunhofer IAF will develop Process Design Kits (PDKs) to enable external partners to access the heterointegrated InGaAs-on-Si and GaN-on-SiC chiplet lines. The institute has extensive exper- ience in transferring research results into marketable products and plays a key role in the practical implementation of high- performance systems. Zudem werden bestehende Prozesse für die Chiplet- und Inter- poser-Fertigung stark erweitert und die Integrationsmethoden grundlegend weiterentwickelt. Ein wichtiger Schritt ist bei- spielsweise die Einführung der chemo-mechanischen Politur, die speziell für die Heterointegration mit Silizium (Si) entwickelt wurde. Diese Methode ermöglicht eine präzise und saubere Verbindung von unterschiedlichen Materialschichten, was die Leistungsfähigkeit von Systemen steigert und neue Möglich- keiten für die Integration bietet. Eine weitere Maßnahme ist die Erforschung der Möglichkeiten zur Einführung weiterer Verdrahtungsebenen, die auf geringe Verluste optimiert sind. Durch diese zusätzlichen Ebenen wird die Signalintegrität erhöht und die Energieeffizienz verbessert. Ein entscheidender Schritt in Richtung Miniaturisierung und Leistungssteigerung ist die Fertigung von ultradünnen Chip- lets (mit einer Dicke von nur wenigen Mikrometern), die eine höhere Integration von Funktionen auf kleinerem Raum erlauben und damit die Entwicklung von hochleistungsfähigen kompakten Systemen vorantreiben. Komplementär zu den technologischen Prozesslinien wird das Fraunhofer IAF PDKs (Process Design Kits) entwickeln, um externen Partnern den Zugang zu den heterointegrierten InGaAs-auf-Si- und GaN-auf-SiC-Chiplet-Linien zu ermögli- chen. Das Institut hat umfangreiche Erfahrung in der Überfüh- rung von Forschungsergebnissen in marktreife Produkte und spielt eine Schlüsselrolle in der praktischen Implementierung von hochleistungsfähigen Systemen. 12

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 »Europa als unverzichtbarer Partner in der globalen Technologiebranche« “Europe as an indispensable partner in the global technology industry” Im Interview spricht Dr. Stephan Guttowski, Geschäftsstellenleiter der Forschungs- fabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD), über die Ziele, Herausforderungen sowie technischen und politischen Hintergründe der APECS-Pilotlinie. In an interview, Dr. Stephan Guttowski, Managing Director of the Research Fab Microe- lectronics Germany (FMD), talks about the goals, challenges, as well as technical and political background of the APECS pilot line. Worin bestehen aktuell und in absehbarer Zukunft die größten Herausforderungen für die europäische Halbleiterindustrie? Guttowski — Europa verfügt über ein dynamisches Ökosystem aus führenden Unternehmen, kleinen und mittleren Unterneh- men sowie Start-ups, deren Wettbewerbsvorteil auf fortschritt- lichen Halbleiterlösungen beruht. Diesen Unternehmen fehlt aber oft der Zugang zu fortschrittlichen Technologien mit den zugehörigen Design- und Testkompetenzen, da die Ressourcen in Europa begrenzt sind. Unsere europäische Halbleiterindus- trie steht also vor einigen großen Herausforderungen in der kommenden Zeit. Eine der drängendsten ist die starke Abhän- gigkeit von globalen Liefer- und Wertschöpfungsketten, insbe- sondere aus Asien und den USA, was die Resilienz der gesam- ten Halbleiterbranche extrem gefährdet. Zudem steigt auch der weltweite Wettbewerb um Technologieführerschaft, während gleichzeitig aber der stetig wachsende Fachkräftemangel in Europa die Innovationskraft hemmt. Hohe Investitionskosten für moderne Fertigungstechnologien und -anlagen sowie der wachsende Bedarf an energieeffizienten und leistungsstarken Chips stellen weitere Hürden dar. What are the biggest challenges for the European semi- conductor industry at present and in the near future? Guttowski — Europe has a vibrant ecosystem of leading companies, small and medium-sized enterprises, and start- ups that derive their competitive advantage from advanced semiconductor solutions. However, these companies often lack access to advanced technologies with the associated design and testing expertise, as resources in Europe are limited. Our European semiconductor industry is therefore facing some major challenges in the near future. One of the most pressing is the strong dependence on global supply and value chains, particularly from Asia and the US, which puts the resilience of the entire semiconductor industry at extreme risk. In addition, global competition for technology leadership is also increasing, while at the same time, the steadily growing shortage of skilled workers in Europe is hindering innovation. High invest- ment costs for modern manufacturing technologies and equip- ment, as well as the growing demand for energy-efficient and high-performance chips, represent further hurdles. 14

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Wie schätzen Sie den Beitrag des EU Chips Act und der APECS-Pilotlinie ein? Guttowski — Die Europäische Kommission investiert im Rahmen des European Chips Acts erhebliche Mittel in die Stär- kung der Halbleitertechnologien. Ziel ist es, Europas technolo- gische Resilienz zu erhöhen, Lieferketten zu sichern und Inno- vationen in Schlüsselbranchen voranzutreiben. Die Pilotlinie für APECS, als eine von derzeit fünf Pilotlinien im Rahmen des EU Chips Acts, ist dabei ein wichtiger Baustein. Sie fördert innova- tive Ansätze für Heterointegration und fortschrittliche Packa- ging-Technologien, um Chiplet-Innovationen voranzutreiben und so die Forschungs- und Fertigungskapazitäten in Europa zu erhöhen. Dadurch lassen sich neue Systemintegrationstech- nologien schneller in industrielle Anwendungen überführen, die Abhängigkeit von globalen Lieferketten reduzieren und die Wettbewerbsfähigkeit europäischer Unternehmen steigern. APECS wird von der FMD implementiert . Worin beste- hen die größten Herausforderungen? Guttowski — Eine der größten Herausforderungen besteht in der nahtlosen Integration verschiedener Technologien und Prozesse, um innovative Packaging-Lösungen zu ermöglichen, die hohe Anforderungen an die Koordination stellen. Zudem dürfen sich zehn Partner aus acht europäischen Ländern eng abstimmen, um ihre Synergien optimal nutzen zu können – allein in Deutschland sind 14 FMD-Institute beteiligt! Weitere Herausforderungen betreffen den niederschwelligen Zugang zu den Angeboten der Pilotlinie, die Verfügbarkeit von Design- kompetenzen, die Skalierbarkeit neuer Technologien und ihrer Charakterisierung, den Transfer in industrielle Anwendungen und die Sicherstellung der langfristigen Wirtschaftlichkeit der entwickelten Lösungen. How do you rate the contribution of the EU Chips Act and the APECS pilot line? Guttowski — The European Commission is investing significant resources in strengthening semiconductor technologies as part of the European Chips Act. The aim is to increase Europe’s tech- nological resilience, secure supply chains and drive innovation in key industries. The pilot line for APECS, one of currently five pilot lines under the EU Chips Act, is an important building block in this effort. It promotes innovative approaches to heterointeg- ration and advanced packaging technologies to advance chiplet innovation and thus increase research and manufacturing capa- cities in Europe. This will enable new system integration techno- logies to be transferred more quickly into industrial applications, reducing dependence on global supply chains and increasing the competitiveness of European companies. APECS is being implemented by the FMD . What are the biggest challenges? Guttowski — One of the biggest challenges is the seamless integration of different technologies and processes to enable innovative packaging solutions, which involves a high level of coordination. In addition, ten partners from eight European countries must work closely together to make optimal use of their synergies — in Germany alone, 14 FMD institutes are involved! Further challenges concern the low-threshold access to the pilot line services, the availability of design expertise, the scalability of new technologies and their characterization, the transfer to industrial applications and ensuring the long-term economic viability of the developed solutions. 16

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Innovationsschub für Quanten - technologien Made in Europe Driving Innovation in Quantum Technologies Made in Europe Mit den beiden Verbundprojekten Qu-Pilot und Qu-Test startete 2023 eine euro- päische Initiative zur Förderung der Entwicklung, Implementierung und Verfügbar- keit von Quantentechnologien in Europa. Zahlreiche Partner aus Industrie und For- schung entwickeln gemeinsam neue Methoden, bauen eine vernetzte Infrastruktur aus und intensivieren den fachlichen Austausch, um die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Forschungs- und Innovationslandschaft zu stärken. Das zentrale Ziel besteht darin, die Markteinführungszeit europäischer industrieller Innovationen im Bereich der Quantentechnologien zu verkürzen und eine vertrauenswürdige Lieferkette zu etablieren. With the two collaborative projects Qu-Pilot and Qu-Test, a European initiative was launched in 2023 to promote the development, implementation and availability of quantum technologies in Europe. Numerous partners from industry and research are jointly developing new methods, expanding a networked infrastructure and inten- sifying the exchange of expertise in order to strengthen the competitiveness of the European research and innovation landscape. The central goal is to shorten the time to market for European industrial innovations in the field of quantum technologies and to establish a trustworthy supply chain. Während Qu-Test sich auf die Verbesserung von Test- und Prüfverfahren konzentriert, fördert Qu-Pilot die praktische Anwendung und Implementierung von neuartigen Quanten- technologien aus europäischer Quelle. Gemeinsam tragen die Projekte dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit Europas im Bereich der Quantentechnologien zu stärken und innovati- ve Lösungen für zukünftige Herausforderungen zu entwi- ckeln. Durch den Austausch von Wissen, die Etablierung von Standards und die Durchführung von Pilotprojekten wird eine solide Grundlage für das Wachstum und die Akzeptanz von Quantentechnologien geschaffen. Die Projekte laufen von 2023 bis 2027 und werden im Rahmen des Programms Horizon Europe von der Europäischen Union mit jeweils fast 19 Millionen Euro gefördert. While Qu-Test focuses on improving testing and verification procedures, Qu-Pilot promotes the practical application and implementation of novel quantum technologies from European sources. Together, the projects will help to strengthen Eu rope’s competitiveness in the field of quantum technologies and develop innovative solutions for future challenges. By sharing knowledge, establishing standards and implementing pilot projects, a solid foundation for the growth and acceptance of quantum technologies will be created. The projects will run from 2023 to 2027 and will each receive around 19 million euros in funding from the European Union under the Horizon Europe program. 18

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Qu-Pilot: Implementierung und Anwendung von Quantentechnologien Qu-Pilot zielt darauf ab, innovative Ansätze und Methoden verfügbar zu machen, die die Einführung und den Einsatz von Quantentechnologien in verschiedenen Bereichen unterstüt- zen. Dazu werden Projekte initiiert, die Quantentechnologien in Bereiche wie Kommunikation, Sensorik und Datenverarbei- tung nutzen. Im Rahmen des Projekts wird die Infrastruktur der Partner in vier verschiedene Plattformen integriert. In zweien davon ist das Fraunhofer IAF aktiv: In der Photonik-Plattform entwickelt das Fraunhofer IAF eine Wafer-Epitaxie von III-V- Schichtstrukturen für Lawinenphotodioden (APDs) und Einzel- photon-Lawinendioden (SPADs) im kurzwelligen Infrarot und baut entsprechende Technologieprozesse aus. Hierfür wurde das Konzept zur Fertigung von Multi-Project-Wafern adaptiert, um pro Prozesslauf verschieden konzipierte SPAD-Bauelemente für unterschiedliche Anwendungen herzustellen. Qu-Pilot: Implementation and application of quantum technologies Qu-Pilot aims to make innovative approaches and methods available that support the implementation and use of quan- tum technologies in various fields. To this end, projects are being initiated that utilize quantum technologies in areas such as communication, sensor technology and data processing. Within this project, the infrastructure of the partners will be integrated into four different platforms. Fraunhofer IAF is involved in two of them: in the photonics platform, Fraunhofer IAF is developing a wafer epitaxy of III-V layer structures for avalanche photodiodes (APDs) and single-photon avalanche diodes (SPADs) in the short-wave infrared and is expanding corresponding technology processes. To this end, the concept for the production of multi-project wafers was adapted in order to manufacture differently designed SPAD components for different applications in each process run. In der Diamant-Plattform unterstützt das Fraunhofer IAF zum einen die Entwicklung stabiler Epitaxie und Präparationsverfah- ren, um maßgeschneiderten Diamant für Quantentechnologien anbieten zu können, insbesondere in Hinblick auf Dotierung und Kristallorientierung. (111)-orientierter Diamant ist dem kommerziell gut verfügbaren (100)-orientierten Diamant hin- sichtlich der Dotierungseffizienz und der Spinkontrolle von Farbzentren deutlich überlegen. Andererseits bestehen bei der Herstellung und Präparation von (111)-orientiertem Diamant auch Nachteile, wie zum Beispiel eine deutlich geringere Wachstumsrate und Schwierigkeiten beim Polieren aufgrund seiner extremen Härte. Das Ziel am Fraunhofer IAF besteht deshalb darin, den Reife- grad des Wachstums von (111)-orientiertem Diamant zu erhö- hen. Des Weiteren soll die Prozessentwicklung von dreieckigen integrierten Wellenleiter-Chips weiter vorgetrieben werden. Hier liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Reduzierung der Seitenwandrauheit der Bauelemente, um das Lichtstreu- und Dämpfungsverhalten zu verbessern. Um die Nachteile der niedrigen Wachstumsrate von (111)-ori- entiertem Diamant zu überwinden, wurden dicke (100)-orien- tierte Diamanten (3 mm) gewachsen und (111)-orientierte Scheiben mittels Laser herausgeschnitten. Diese Scheiben wurden anschließend poliert und für die Quantensensorik ver- wendet. Ebenso wurden Diamanten mit spezieller Geometrie hergestellt. Ein Beispiel ist ein Pyramidenstumpf, mit der die Lichtein- und Auskopplung in diamantbasierten Quantensenso- ren verbessert und somit die Empfindlichkeit erhöht wird. Qu-Test: Verbesserung der Test- und Prüfverfahren Qu-Test zielt auf die Etablierung von einheitlichen Standards für die Bewertung von quantenbasierten Systemen ab, um die Vergleichbarkeit und Nachvollziehbarkeit von Testergebnissen zu gewährleisten. Durch die Förderung des Austauschs von In the diamond platform, Fraunhofer IAF supports the develop- ment of stable epitaxy and preparation methods in order to be able to offer customized diamond for quantum technologies, particularly with regard to doping and crystal orientation. (111)-oriented diamond is superior to the commercially availa- ble (100)-oriented diamond in terms of doping efficiency and spin control of color centers. On the other hand, there are also disadvantages in the production and preparation of (111)-ori- ented diamond, such as a significantly lower growth rate and difficulties in polishing due to its extreme hardness. The goal at Fraunhofer IAF is therefore to increase the degree of growth of (111)-oriented diamond. Furthermore, the process development of triangular integrated waveguide chips is to be advanced. Here, the focus of the work is on reducing the sidewall roughness of the components in order to improve the light scattering and attenuation behavior. To overcome the disadvantages of the low growth rate of (111)-oriented diamond, thick (100)-oriented diamonds (3 mm) were grown and (111)-oriented disks were cut out using a laser. These disks were then polished and used for quantum sensing. Similarly, diamonds with special geometries were produced. One example is a truncated pyramid, which is used to improve light coupling into and out of diamond-based quantum sensors, thus increasing sensitivity. Qu-Test: Improvement of test procedures Qu-Test aims to establish uniform standards for the evaluation of quantum-based systems in order to ensure the comparabil- ity and traceability of test results. By promoting the exchange of experiences and best practices between research institu- tions, universities and industrial partners, the development of innovative approaches to quality assurance in quantum technology is supported. The implementation of pilot projects enables the testing and optimization of new testing methods 20

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Diamantwafer für industrielle Quantentechnologien Diamond Wafers for Industrial Quantum Technologies Diamant zählt zu den vielversprechendsten Materialien für Quantentechnologien, doch seine Verfügbarkeit in industrietauglicher Qualität und Quantität ist bislang begrenzt. Im Verbundprojekt GrodiaQ arbeiten Forschende des Fraunhofer IAF gemeinsam mit fünf Industriepartnern an der Entwicklung innovativer Anlagen- und Wachstumsprozesse, um hochreine, (111)-orientierte Diamantwafer mit einem Mindestdurchmesser von 4 Zoll herzustellen und der Industrie bereitzustellen. Damit leisten die Projektpartner einen wesentlichen Bei- trag zur Etablierung einer europäischen Lieferkette für Quantenbauelemente und zur Reduzierung der Abhängigkeit von wenigen außereuropäischen Herstellern. Diamond is one of the most promising materials for quantum technologies, but its availability in industry-grade quality and quantity has been limited so far. In the joint project GrodiaQ, researchers from Fraunhofer IAF are working together with five industrial partners to develop innovative equipment and growth processes to produce high-purity (111)-oriented diamond wafers with a minimum diameter of 4 inches and make them available to industry. In doing so, the project partners are making a signi- ficant contribution to establishing a European supply chain for quantum devices and reducing dependence on a few non-European manufacturers. 22

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Europäische Wertschöpfung für GaN-Messlösungen im D-Band European Added Value for GaN Measurement Solutions in the D Band Effiziente Prüf- und Messsysteme bilden eine entscheidende Säule jeder mikroelek- tronischen Wertschöpfungskette. Unter der Leitung des Technologieunternehmens Rohde & Schwarz entwickelt das Fraunhofer IAF gemeinsam mit United Monolithic Semiconductors im Projekt GANYDEM170 eine innovative GaN-Technologie für Millimeterwellen-Anwendungen im Frequenzbereich bis 170 GHz. Auf Basis dieser Technologie soll ein neuartiges hochperformantes Prüf- und Messsystem realisiert werden. Die Forschenden arbeiten zudem daran, die GaN-Technologie für 6G-Kom- munikationslösungen sowie innovative zukünftige Anwendungen im Millimeter- Frequenzbereich zu nutzen. Efficient testing and measurement systems are a crucial part of every microelectron ic value chain. Under the leadership of the technology company Rohde & Schwarz, Fraunhofer IAF and United Monolithic Semiconductors are jointly developing an inno- vative GaN technology for millimeter wave applications in the frequency range up to 170 GHz in the GANYDEM170 project. On the basis of this technology, a new high-per- formance testing and measuring system will be realized. The researchers are also wor- king on using GaN technology for 6G communication solutions and innovative future applications in the millimeter frequency range. GaN-Technologien im Millimeter- wellen-Bereich sind für viele Bran- chen und Anwendungen von zentraler Bedeutung GaN technologies in the milli - meter-wave range are of central importance for many industries and applications 24

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Transfer durch Applikationslabore Transfer Through Application Laboratories Unsere Applikationslabore bieten der Industrie eine einzigartige Gelegenheit, neueste Technologien aus den Bereichen Quantensensorik, Quantencomputing und Infrarotlaser-Spektroskopie zu testen und für eigene Anforderungen zu evaluieren. Our application laboratories offer industry a unique opportunity to test the latest technologies in the fields of quantum sensors, quantum computing and infrared laser spectroscopy and to evaluate them for their own requirements. 26

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Applikationslabor für Quantensensorik Application Laboratory for Quantum Sensing Hochempfindliche Quantensensoren sind besonders relevant für Branchen, in denen höchste Präzision entscheidend ist. Um der Industrie die Möglichkeit zu geben, das Potenzial der Quantensensorik zu erkunden und für ihre spezifischen Anforderungen zu evaluieren, hat das Fraunhofer IAF ein Applikationslabor für Quantensensorik eingerichtet. Dort stehen mehrere Quantenmagnetometer auf Basis von Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant zur Verfügung, die Interessierte aus Industrie und Forschung zu Testmessungen nutzen können. Highly sensitive quantum sensors are particularly relevant for industries where the highest precision is crucial. Fraunhofer IAF has set up an application laboratory for quantum sensor technology to enable industry to explore the potential of quantum sensor technology and assess it for their specific needs. The lab offers several quantum magnetometers based on nitrogen-vacancy centers (NV centers) in diamond, which can be used for a wide variety of applications. Quantenmagnetometer visualisieren Magnetfeldvertei- lungen auf kleinster Skala und sind daher ideal für den industriellen Einsatz geeignet, beispielsweise zur Sicht- barmachung von mikroskopischen Materialdefekten in metallischen Werkstoffen, zur hochpräzisen Analyse von biologischem Gewebe oder zur Untersuchung von mikro- und nanoelektronischen Bauteilen. Diamantbasierte Magnetfeldsensoren bieten fundamentale Vorteile in der Anwendung: Sie können bei Raumtemperatur und auf Hin- tergrundfeldern betrieben werden und zeichnen sich dabei durch eine extrem hohe räumliche Auflösung aus. Zusätz- lich zu den Testmöglichkeiten vor Ort hat das Fraunhofer IAF eine virtuelle Plattform mit umfassenden Fachinforma- tionen zur Quantensensorik errichtet. Quantum magnetometers visualize magnetic field distributi- ons on the smallest scale and are therefore ideally suited for industrial applications that demand highest precisions. Possible use cases are the visualization of microscopic material defects in metallic materials, the high-precision analysis of biological tissue or the examination of micro- and nanoelectronic compo- nents. Diamond-based magnetic field sensors offer fundamen- tal advantages: they can be operated at room temperature and in the presence of background fields and are characterized by an extremely high spatial resolution. In addition to the on-site testing facilities, a virtual platform with comprehensive spe- cialist information on quantum sensor technology is available to interested parties. 28

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Quantenmagnetometer im Applikationslabor Quantum magnetometer in the application lab Weitfeldmagnetometer Das Weitfeldmagnetometer wurde eigens am Fraunhofer IAF entwickelt und verwendet eine Diamantplatte mit einer homo- genen Schicht aus NV-Zentren. Es misst Magnetfelder über einen großen Probenbereich in sehr kurzer Zeit und eignet sich damit für schnelle und quantitative Messungen im industriellen Einsatz. Das Weitfeldmagnetometer braucht keine Kalibrierung und kann für die Charakterisierung und Optimierung von ferro- magnetischen Werkstoffen sowie für Anwendungen in der Biomedizin eingesetzt werden. Wide-field magnetometer The wide-field magnetometer was specially developed at Fraunhofer IAF and uses a diamond plate with a homo- geneous layer of NV centers. It measures magnetic fields over a large sample area in a very short time, making it suitable for fast and quantitative measurements in industrial applications. The widefield magnetometer does not require calibration and can be used for the characterization and optimization of ferromagnetic materials as well as for applications in biomedicine. Technische Spezifikationen Sensitivität: < 10 µT/√Hz Ortsauflösung: ± 1 µm Messbereich: Messzeit: Messmethoden: ODMR, Iso-B, Quench, pulsed Hersteller: 40 x 40 µm2 bis 1 x 1 mm2 Sekunden bis Minuten Eigenanfertigung des Fraunhofer IAF < 10 µT/√Hz Technical specifications Sensitivity: Spatial Resolution: ± 1 µm Measurement Area: 40 x 40 µm2 bis 1 x 1 mm2 Measurement Time: seconds to minutes Protocols: Manufacturer: ODMR, Iso-B, Quench, pulsed Produced in-house by Fraunhofer IAF Das Weitfeldmagnetometer nutzt eine Diamantplatte für schnelle und groß flächige Messungen The wide-field magnetometer uses a diamond plate for fast and large-scale measurements 30

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Interaktiv: Das virtuelle Applikationslabor für Quantensensorik Interactive: the Virtual Application Laboratory for Quantum Sensing Zusätzlich zu den Testmöglichkeiten am Institut steht der Industrie und Forschung das Applikationslabor für Quantensensorik in einer virtuellen Version zur Verfü- gung: Diese Informationsplattform enthält umfassendes Fachwissen und bietet die Möglichkeit, das Thema Quantensensorik selbständig zu erkunden und Lösungen für spezifische Anwendungsszenarien zu bewerten. In addition to the on-site testing facilities, a virtual version of the application laborato- ry for quantum sensing is available to industry and research: This information platform contains comprehensive specialist knowledge and offers the opportunity to independ- ently explore the field of quantum sensor technology and assess solutions for specific application scenarios. Das virtuelle Applikationslabor gibt einen Überblick über die Quantensensoren, die am Fraunhofer IAF im Einsatz sind, und deren Anwendungsmöglichkeiten. Es umfasst drei Quanten- magnetometer und bietet ausführliche Fachinformationen und Erläuterungen zu den unterschiedlichen Messprinzipien der Geräte. Das Herzstück des Applikationslabors bilden die interaktiven Messungen, die Messzenarien aus den Branchen Werkstoffprüfung, Mikro- und Nanoelektronik sowie Biomedi- zin veranschaulichen. The virtual application laboratory provides an overview of the quantum sensors in use at Fraunhofer IAF and their possible applications. It includes three quantum magnetometers and offers detailed technical information and explanations of the different measuring principles of the systems. At the heart of the application laboratory are the interactive measurements, which illustrate measurement scenarios from the fields of materials testing, micro- and nanoelectronics and biomedicine. Erkunden Sie das virtuelle Appli- kationslabor für Quantensensorik: Visit the virtual application laboratory for quantum sensing: www.quantensensing.de 32 32

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Applikationslabor für Quantencomputing Application Laboratory for Quantum Computing Das Applikationslabor für diamantbasiertes Quantencomputing bietet For- schenden und Fachleuten aus der Industrie direkten Zugang zu fortschrittlichen Quantencomputing-Technologien. Die Systeme basieren auf der Nutzung von Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant und bieten bis zu vier stark gekoppelte Qubits für eine umfassende Erforschung und Implementierung kom- plexer Quantenalgorithmen. Diese einzigartige Infrastruktur ermöglicht praxisna- he Experimente und Tests von Quantencomputing-Anwendungen in Bereichen wie Materialwissenschaften, Sensortechnologie und Kryptographie und zielt darauf ab, Unternehmen und Forschungseinrichtungen dabei zu unterstützen, konkre- te technologische Fortschritte zu erzielen und Quantencomputing in industrielle Prozesse zu integrieren. The application laboratory for diamond-based quantum computing provides resear- chers and industry professionals with direct access to advanced quantum computing technologies. The systems are based on the use of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond and offer up to four strongly coupled qubits for in-depth exploration and implementation of complex quantum algorithms. This unique infrastructure enables hands-on experiments and testing of quantum computing applications in fields such as materials science, sensor technology, and cryptography. It aims to support companies and research institutions in achieving tangible technological advancements and integ- rating quantum computing into industrial processes. Seit Anfang 2025 verfügt das Applikationslabor über einen Quantencomputer auf Diamant- basis. Im Laufe des Jahres wird ein weiteres System hinzukommen. Starting 2025, the applica tion laboratory has had a diamond- based quantum computer. Over the course of the year, an additional system will be set up. 34

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Quantencomputing hat das Potenzial, zahlreiche Branchen grundlegend zu verändern. Besonders in der Arzneimittel- entwicklung, der Optimierung von Lieferketten und der Kryptographie verspricht es erhebliche Effizienzgewinne und Innovationsschübe. Darüber hinaus birgt es die Aussicht, globale Herausforderungen anzugehen, die Medizinforschung voranzutreiben und den Einsatz erneuerbarer Energien zu optimieren. Quantencomputer auf Basis von NV-Zentren in Diamant Quantencomputer, die auf NV-Zentren in Diamant basieren, zeichnen sich durch mehrere Vorteile aus: Sie verfügen über lange Kohärenzzeiten, was die Speicherung von Quanteninfor- mationen über ausgedehnte Zeiträume ermöglicht. Zudem sind sie resilient gegenüber Umweltrauschen und anderen exter- nen Einflüssen, was sie zu einer idealen Grundlage für stabile Quantenoperationen und den industriellen Einsatz macht. Forschende des Fraunhofer IAF arbeiten intensiv an der Ent- wicklung eines eigenen Quantencomputers auf Basis von NV- Zentren in Diamant (mehr dazu finden Sie ab Seite 82). Um das Potenzial von Quantencomputing in der Anwendung bereits heute erfahrbar zu machen, bietet das Applikationslabor einen praktischen Zugang zu einem diamantbasierten Quanten- computer, der NV-Zentren nutzt und bis zu vier Qubits bietet. Fachleute aus der Industrie und Forschung profitieren von der Möglichkeit, die Fähigkeiten der NV-Zentren-basierten Techno- logie zu erkunden, Quantenalgorithmen zu entwickeln und zu optimieren sowie reale Rechenprobleme anzugehen. Zudem bietet sich die Chance, sich mit den spezifischen Herausforde- rungen des Quantencomputings in verschiedenen Branchen und Anwendungen auseinanderzusetzen. Quantum computing has the potential to fundamentally transform numerous industries. It promises significant efficiency gains and innovation boosts particularly in drug development, supply chain optimization and cryptography. Moreover, it holds the prospect of tackling global challenges, advancing medical research, and optimizing the use of renew- able energy. Quantum computers based on NV centers in diamond Quantum computers based on NV centers in diamond offer several advantages: They have long coherence times, allowing quantum information to be stored over extended periods. Additionally, they are resilient to environmental noise and other external influences, making them an ideal platform for stable quantum operations and industrial applications. Researchers at Fraunhofer IAF are actively working on devel- oping their own quantum computer based on NV centers in diamond (read more about our advances in this field on page 82). To make the potential of quantum computing tangible today, the application laboratory provides practical access to a diamond-based quantum computer that utilizes NV centers and offering up to four qubits. Industry and research pro- fessionals benefit from the opportunity to explore the cap- abilities of NV center-based technology and optimize quantum algorithms, and tackle real-world computational problems. Furthermore, they can engage with the specific challenges of quantum computing across various industries and applications. Der Quantenprozessor umfasst lokale Quantenregister, die aus bis zu zehn 13C-Kernspins sowie einem Elektronenspin bestehen, der in ein einzelnes Farbzentrum eingebettet ist The quantum processor consists of local quantum registers that are composed of an electron spin hosted by a single color center and up to ten 13C nuclear spins 36

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Applikationslabor für IR-Laser-Spektroskopie Application Laboratory for Infrared Laser Spectroscopy Im Applikationslabor für Infrarot-(IR-)Spektroskopie demonstrieren wir verschiede- ne Anwendungsfälle unserer schnell spektral durchstimmbaren Quantenkaskaden- laser (QCLs). Diese Technologie ermöglicht sehr schnelle und extrem breitbandige IR-Lasermesstechnik im mittleren Infrarotbereich von 4 bis 12 µm (~800 bis 2500 cm-1). In unserem Labor erproben wir die industrielle Skalierung von verschiedenen IR-Spektroskopiemethoden, die bisher nur strichprobenartig zur Qualitätssiche- rung eingesetzt werden. In the application laboratory for infrared (IR) laser spectroscopy, we demonstrate various use cases for our rapidly tunable quantum cascade lasers (QCLs), which enable very fast and extremely broadband IR laser measurement technology in the mid-infra- red range of 4 to 12 µm µm (~800–2500 cm-1). In our laboratory, we are testing the indus trial scaling of various IR spectroscopy methods that have so far only been used sporadically for quality assurance. Während gängige Verfahren auf der FTIR-Spektroskopie basieren (Fourier-Transform-Infrarot), bietet die QCL- Spektroskopie den entscheidenden Vorteil einer deutlich höheren Brillanz, die signifikant reduzierte Messzeiten mit Zeitauflösungen bis in den Millisekundenbereich für komplette IR-Spektren sowie kontaktlose und abstandfähi- ge Messungen ermöglicht. In- und online-fähige Messver- fahren sind damit ebenso umsetzbar. In der Prozessanalyse oder bei der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren, etwa in der Chemie- oder Pharmaindustrie, stellt dies einen bedeutenden potenziellen Effizienz- und Kostengewinn dar. Partner und Kunden aus Industrie und Wissenschaft haben die Möglichkeit, die QCL-Technologie des Fraunhofer IAF im Applikationslabor hautnah zu erleben. Die dabei verwendeten Messmethoden schließen Transmission- und Rückstreu-Spektroskopie, ATR- (attenuated total reflection) bzw. Mikrofluidik-Spektroskopie, QCL-Mikroskopie und die Point-of-Interest-(POI-)Spektroskopie ein. While common methods are based on FTIR spectroscopy (Fourier-transform infrared), QCL spectroscopy has the advan- tage of significantly higher brightness, greatly reduced measu- rement times, with time resolutions down to the millisecond range for complete IR spectra, as well as enabling contactless and distance-capable measurements. Inline and online-capable measurement processes are thus feasible. In process analysis or in the development of new manufacturing methods, for exam- ple in the chemical or pharmaceutical industry, this represents a significant potential gain in efficiency and cost. Partners and customers from industry and science have the opportunity to experience the QCL technology of Fraunhofer IAF up close in the application laboratory. The measurement methods used include transmission and backscatter spectroscopy, ATR (attenuated total reflection) or microfluidic spectroscopy, QCL microscopy, and point-of-interest (POI) spectroscopy. 38

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 POI-Scanner Unser Point-of-Interest-System demonstriert die inline-fähige Qualitätssicherung in der pharmazeutischen Verpackungs- industrie. Bei Prozessen, in denen Tabletten unterschiedlicher Zusammensetzung auf derselben Linie laufen, oder bei der patientenspezifischen Verblisterung, wenn sich Tabletten mittels kamerabasierter Systeme nicht eindeutig unterschei den lassen, ergänzt unser System die Informationen um den IR-Fingerabdruck jeder einzelnen Tablette. Mithilfe maschinellen Sehens erkennt das System den Tablet- tenblister sowie die Position jeder einzelnen Tablette im Blister und zeichnet jeweils ein Infrarot-Rückstreuspektrum auf. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis eines neuronalen Netzes. So wird ein 12er-Tablettenblister in weniger als 0,3 Sekunden überprüft. POI scanner Our point-of-interest system demonstrates inline quality assur- ance in the pharmaceutical packaging industry. For processes where tablets of different compositions run on the same line, or in patient-specific blister packaging where tablets cannot be clearly distinguished using visible camera-based systems, our system complements the information with the IR fingerprint of each tablet. Using machine vision, the system detects the blister package and the position of each tablet inside the blister and records an infrared backscatter spectrum of each. The classification is done based on a neural network. In this way, a 12-tablet blister is inspected in less than 0.3 seconds. Der POI-Scanner nutzt maschinelles Sehen, um jede einzelne Tablette im Blister zu erkennen, das jeweilige Infrarot-Rückstreuspektrum zu erfassen und anhand dessen die Substanz zu identifizieren The POI scanner uses machine vision to detect each tablet inside the blister, capture the corresponding infrared backscatter spectrum, and identify the substance based on this data 40

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Transfer durch Köpfe Transfer Through People Der Schlüssel zum Transfer von Technologien und Wissen sind die Menschen. Sie bringen die Fraunhofer-DNA, den Transfergedanken, zum Leben. Wir stellen aktuelle sowie ehemalige Kolleginnen und Kollegen vor, die ihre Erfahrungen und Kenntnisse weitertragen – in die Industrie und zurück. People are the key to the transfer of technology and knowledge. They embody the Fraunhofer DNA, the transfer concept, and bring it to life. We introduce current and former colleagues who pass on their experience and knowledge from institute to industry and back again. 42

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 »Von der internationalen Expertise kann jedes Industrieunternehmen nur profitieren.« “Industrial companies can only benefit from such international expertise.” Dr. Markus Rösch war neun Jahre lang als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IAF tätig, bevor er die Forschung und Deutschland verließ, um in einem französischen Industrieunternehmen sein Know-how einzubringen. Vor zwei Jahren kehrte er ans Fraunhofer IAF zurück. Im Interview spricht er über seinen Werdegang, der ihm in der Industrie zugutekam, und jene Erkenntnisse, die er zurück ans Institut brachte. Dr. Markus Rösch worked as a researcher at Fraunhofer IAF for nine years before leaving research and Germany to contribute his know-how to a French company. Two years ago, he returned to Fraunhofer IAF. In this interview, he talks about his career, that benefited him in industry, and the insights he brought back to the institute. An welchen Themen hast du als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IAF geforscht? Bei meiner ersten Stelle am Fraunhofer IAF habe ich mich mit Hochfrequenztechnik beschäftigt – mit dem Aufbau der Chips, die hier am Institut hergestellt werden, aber auch mit Anten- nendesign und speziellen Designs für das Packaging. Das ist alles ziemlich komplex, da bei sehr hohen Frequenzen, wie sie hier erforscht werden, viel mehr Parameter beachtet werden müssen. Dadurch habe ich mich auch mit Radar beschäftigt und durch die Projekte sehr viel Kontakt zu Industriekunden gewonnen, was mir großen Spaß bereitet hat. Which topics did you work on as a researcher at Fraunhofer IAF? In my first job at Fraunhofer IAF, I worked in the field of high-frequency technology. My focus were the structures of the chips that are manufactured here at the institute, but also antenna design and special designs for packaging. This is all quite complex because at very high frequencies, as they are researched here, many more parameters have to be conside- red. This is why I also looked at radar and were able to estab- lished a lot of contacts with industrial clients through the projects, which I really enjoyed. Warum hast du dich dann entschieden in die Indus- trie zu gehen? Es waren vor allem familiäre Gründe, die uns dazu bewogen haben, nach Frankreich zu gehen. Und da ich nochmal etwas anderes machen wollte, bin ich dort nicht in die Forschung, sondern in die Industrie gegangen. In einem mittelständischen Unternehmen mit Sitz in Grenoble hatte ich eine Stelle im Bereich Projektmanagement übernommen und dort zwei Jahre verbracht. Then why did you decide to go into industry? It was mainly family reasons that led us to move to France. And since I wanted to do something different, I didn’t go into research there, but into industry. I took a job in project management at a medium-sized company based in Grenoble and spent two years there. 44

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Wissenstransfer durch ehemalige Kolleginnen und Kollegen Knowledge Transfer Through Former Colleagues Zahlreiche Forschende haben ihre Karriere am Fraunhofer IAF begonnen, um anschlie- ßend ihre Erfahrungen und Kenntnisse in der Industrie oder an anderen wissen- schaftlichen Einrichtungen einzubringen . Im Folgenden teilen Ehemalige, welche Erfahrungen sie als besonders wertvoll für ihren weiteren beruflichen Werdegang erachtet haben . Numerous researchers began their careers at Fraunhofer IAF before going on to contribute their experience and expertise to industry or other scientific institutions. In the following, former colleagues share which experiences they considered particularly valuable for their further professional career. »Während meiner Promotion am Fraunhofer IAF sammelte ich wertvolle Erfahrungen darin, innovative Ideen von der Theorie in die Praxis umzu- setzen. Dies umfasste die Entwicklung eines tiefgehenden Verständnisses der erforderlichen technologischen Grundlagen, den Aufbau einer geeig- neten Wertschöpfungskette und die Arbeit an der Spitze technologischer Innovationen. Zudem erlebte ich die Vorteile eines starken Kundenfokus und der Zusam- menarbeit mit zentralen Akteuren aus Forschung und Industrie, um das Innovationsniveau in Projekten zu steigern. Diese Erfahrung ist für meine Karriere in der T&M-Branche von entscheidender Bedeutung, da eine aus- geprägte Innovationskraft essenziell ist, um Kunden bei der Entwicklung zukünftiger Technologiestandards zu unterstützen.« “During my PhD at Fraunhofer IAF, I gained invaluable experience in taking innovative ideas from theory to practice. It involved developing a profound understanding of the required technology pillars, setting up the appropriate value chain, and working at the forefront of technological innovation. Moreover, I witnessed the benefits of focusing on customer value and colla- borating with key actors from research and industry to boost the innovation level in project work. This experience is instrumental in my industry career in the T&M sector, where a strong innovative drive is crucial for supporting customers in developing tomorrow‘s technology standards.” Dr . Robert Elvis Makon Project Manager Mixed-Signal ASIC / MMIC Development, Rohde & Schwarz 46

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 »Am Fraunhofer IAF kann man entlang der Wertschöpfungskette vom Design bis zur Herstellung von III-V-Halbleitern alle Stellgrößen für die Performance eines Chips beeinflussen. In meiner Zeit am Fraunhofer IAF habe ich bereits gelernt, dass ein Chip nur dann den Weg in die Applikation finden wird, wenn man durch enge Partnerschaft mit Systemhäusern in Industrie oder Forschung die Spezifikationen eng abstimmt. Ergeben sich daraus systemische Vorteile UND stimmen die kommerziellen Rahmenbe- dingungen, dann können bahnbrechende Innovationen entstehen.« “The complete manufacturing chain from design towards processing of integrated circuits offers access to all parameters affecting the chip per- formance. During my time at Fraunhofer IAF I already experienced that the best chip will only make its way into an application if the spec definition is embedded into system concepts of partners in industry or research. Dis- ruptive innovations will only materialize if the chip performance provides a system benefit AND if the commercials meet expectations.” Dr . Ludger Verweyen Vice President RF Communications, Infineon Technologies AG »Seit 1996 pflege ich eine erfolgreiche Zusam- menarbeit mit dem Fraunhofer IAF. Diese Partnerschaft umfasste mehrjährige Aufenthalte sowie eine erfolgreiche Zusammenarbeit über die Distanz. Diese Gelegenheit ermöglichte es mir, mit führenden Forschenden zusammenzuarbeiten und Zugang zu hochmoderner Technologie sowie erstklassigen Messlaboren zu erhalten. Besonders bereichernd war zudem die Mitbetreuung der Doktorarbeit von Dr. Amado, einem ehemali- gen Studenten der Universidad de Extremadura (Spanien). Insgesamt hat diese Kooperation meine akademische Laufbahn maßgeblich geprägt.« “I have enjoyed a successful cooperation with Fraunhofer IAF since 1996. This partnership in - volved over three years of stays at the institute, as well as successful remote cooperation. This opportunity allowed me to collaborate with top scientists and have access to highly advanced technology and measurement laboratories. Also, the co-supervision of the PhD thesis of Dr.Amado, who was a former student from the Universidad de Extremadura (Spain), was very enriching. Ove- rall, cooperation with Fraunhofer IAF has signifi- cantly shaped my academic career.” Dr . Yolanda Campos Roca Associate Professor at the Department of Computer and Communication Technologies, University of Extremadura, Spain 48

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Dr . Tingpeng Luo Senior researcher at the Technology Innovation Institute, Abu Dhabi, United Arab Emirates »Meine Promotions- und Postdoc-Jahre am Fraunhofer IAF haben alles geprägt, was ich heute tue. Mit der Unterstützung des Instituts konnte ich Expertise im Bereich Quantensensorik aufbauen, innovative Erkenntnisse veröffentlichen, die zur wissenschaftlichen Gemeinschaft beitragen, und – am wichtigsten – ich wurde darin ausgebildet, eine unabhängige Forscherin zu werden. Durch die Zusammenarbeit mit verlässlichen Kolleginnen und Kollegen am Fraunhofer IAF lernte ich den Wert gesunder Teamdynamiken kennen und konnte langfristige berufliche Verbindungen aufbauen. Der Übergang von der Doktorandin zum Senior Researcher ermöglichte mir zudem tiefere Einblicke in wissenschaftliche Projektplanungsprozesse. Der Ruf der Fraunhofer-Gesellschaft stärkt weiterhin mein wissenschaft- liches Ansehen. All diese Erfahrungen haben mir die Fähigkeit verliehen, in der Forschung tiefe technische Einblicke mit praxisnahen Visionen zu verbinden.« “My PhD and postdoc years at Fraunhofer IAF shaped everything I do today. With the support of the institute, I built expertise in quantum sensing, published innovations that contribute to the community, and most impor- tantly — I was trained to become an independent researcher. Working with reliable colleagues at Fraunhofer IAF, I learned the value of healthy team dynamics and built lasting professional connections. Transitioning from graduate to senior researcher, I gained deeper insight into scientific project planning processes. The reputation of the Fraunhofer-Gesellschaft continues to enhance my cre- dibility. All these experiences helped me develop the ability to lead research with both technical depth and practical vision.“ »Meine Zeit am Fraunhofer IAF war geprägt von interdisziplinärer Zusammenarbeit, internationalen Kooperationen und Forschung auf dem Gebiet der Quantensensorik und Laserschwellenmagnetometrie. Die enge Verbindung zwischen Wissenschaft und Industrie ermöglichte mir, wertvolle Erfahrungen in der Umsetzung innovativer Technologien zu sammeln. Die gewonnenen praktischen Erkenntnisse haben meinen beruflichen Weg beeinflusst und bilden eine wichtige Grundlage für meine heutige Tätigkeit in der Industrie.« “My time at Fraunhofer IAF was characterized by inter- disciplinary collaboration, international partnerships, and research in the fields of quantum sensing and laser threshold magnetometry. The close connection between science and industry allowed me to gain valuable experience in the implementation of innovative technologies. The practical insights I gained have in - fluenced my career path and form an important foundation for my current work in industry“. 50 Dr . Felix Hahl Development Engineer at Bosch Quantum Sensing

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 »An meiner Arbeit begeistert mich, wie viel ich tun kann.« “What I love about my work is how much I get to do.” Teresa Duarte ist Doktorandin am Fraunhofer IAF und arbeitet in der Gruppe Nitride innerhalb der Abteilung Epitaxie. Sie schloss ihr Studium in Physics Engineering 2022 an der Universidade de Aveiro (Portugal) ab und arbeitete dort als wissenschaftliche Mit- arbeiterin, bis sie 2024 zum Fraunhofer IAF kam. Teresa Duarte is a PhD student at Fraunhofer IAF, working in the Nitrides Group of the Epitaxy Department. She graduated in Physics Engineering in 2022 at Universi- dade de Aveiro, Portugal, and worked as a research fellow there until she came to Fraunhofer IAF in 2024. Wie sieht dein typischer Arbeitstag am Fraunhofer IAF aus? Mein typischer Tag beginnt damit, dass ich ins Büro gehe, meine Straßenschuhe gegen meine äußerst bequemen Labor- schuhe tausche und meine E-Mails checke, um zu entscheiden, was ich tun möchte. Wenn ich am Reaktor arbeite, gehe ich in What does your typical workday at Fraunhofer IAF look like? My typical day starts with me going into the office, switching from my outside shoes to my lab shoes, which are very comfy, and then checking emails and deciding what I want to do for the day. If I work with the reactor, I’m going into the MOCVD Am Fraunhofer IAF hat Teresa Duarte einen Arbeitsplatz gefunden, an dem sie einen Blick hinter die Kulissen werfen und verstehen kann, wie Bauelemente entstehen und wie sie eingesetzt werden At Fraunhofer IAF, Teresa Duarte has found a job where she can take a look behind the scenes and understand how components are created and how they are used 52

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 »Es motiviert mich sehr, zu sehen, wie Forschung den Weg in die Praxis findet.« “It really motivates me to see how research finds its way into application.” Nach seiner Ausbildung zum Elektroniker war Daniel Grieshaber zunächst als staat- lich geprüfter Elektrotechniker am Institut tätig. Nach einer Zwischenstation inklusive Bachelor-Fernstudium kehrte er für das Master-Studium an der Universität Freiburg als wissenschaftliche Hilfskraft ans Fraunhofer IAF zurück. Hier schrieb er auch seine Masterarbeit. Seit 2024 arbeitet Daniel Grieshaber als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Mikroelektronik. After his training as an electrician, Daniel Grieshaber initially worked at the institute as a state-certifi ed electrical engineer. After a stopover including a bachelor’s degree by distance learning, he returned to Fraunhofer IAF as a research assistant for his master‘s degree at the University of Freiburg. He also wrote his master’s thesis here. Since 2024, Daniel Grieshaber has been working as a research associate in the Microelectronics Department. Wie sieht dein Arbeitsalltag am Fraunhofer IAF aus? Aktuell charakterisiere ich viele Bauelemente und führe Mes- sungen durch, um festzustellen, wie wir Bauelemente weiter optimieren und welche Schaltungen wir daraus herstellen können. Wir wollen herausfinden, wie sie immer höhere Spannungen schalten und gleichzeitig noch effizienter werden können. What does your typical workday at Fraunhofer IAF look like? I am currently characterizing many components and con - duct ing measurements to determine how we can further optimize components and which circuits we can create from them. We want to find out how they can switch ever higher voltages and at the same time become even more efficient. Für welche Themen interessiert du dich besonders und was begeistert dich an deiner Arbeit? Besonders interessiere ich mich für die Halbleiterphysik an sich und ihre Anwendungsmöglichkeiten: Wie bewegt sich ein Elektron durch den Halbleiter? Welche Stellschrauben gibt es, um die Funktionsweise eines Transistors anzupassen? Welche Schritte sind nötig, um schließlich ein funktionierendes Bauteil zu haben? Und wie lässt sich das messen? Es begeistert mich zu sehen, wie das, was ich an der Uni über Halbleiterphysik gelernt habe, in der Praxis tatsächlich funktioniert: Wie aus Strukturen, die auf Wafer aufgebracht werden, Transistoren werden und wie der Stromfluss sich beeinflussen lässt. What topics are you particularly interested in and what do you find inspiring about your work? I am particularly interested in semiconductor physics itself and its possible applications: How does an electron move through the semiconductor? What are the parameters for adjusting the way a transistor works? What steps are necessary to finally have a functioning component? And how can it be measured? It inspires me to see the practical application of what I learned at university about semiconductor physics: how transistors are created from structures applied to wafers and how the current flow can be influenced. 54

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Abschlussarbeiten Theses Dissertationen Doctoral theses Isabel Streicher Epitaxy of novel AlScN/GaN and AlYN/GaN heterostructures by metal-organic chemical vapour deposition, Universität Freiburg Can Dogan Integration von NV-Zentren in Diamant in einen External- Cavity- Diodenlaser als hochsensitiver Magnetfeld-Quanten- sensor, Hochschule München Balasubramanian Sundarapandian Epitaxial AIScN prepared by magnetron sputter epitaxy on molybdenum for BAW devices, Universität Freiburg Masterarbeiten Master’s theses Malgunkar Chimney Investigations of harmonic high-power doherty power amplifiers at MHz frequencies for industrial coating applications, Universität Freiburg1 Marco Dall’Ara Variational quantum simulations for determining the ground state of molecules in a globally-driven Rydberg platform, Universität Padua Yousuf Danyal Investigations of sustainability and reusability improvements of high valued electronic printed circuit boards, Universität Freiburg1 Daniel Grieshaber Entwurf und Charakterisierung eines GaN-Multilevel-Gate- Treibers, Universität Freiburg Farrukh Haider Investigations of harmnically-terminated millimetre-wave GaN doherty PAs for high-efficiency operation, Universität Freiburg Akash Nambiar Thermal characterization of GaN power switch HEMTs on different substrate materials, Universität Freiburg Yves Rottstedt Laser cavity combining an external surface emitting laser and nitrogen-vacancy centers in diamond for magnetometry applications, RWTH Aachen Eric Sigle Design of compact frequency multiplier MMICs with high harmonic suppression in a 35 nm InGaAs mHEMT technology, Universität Stuttgart 1 Abschlussarbeit erstellt an der Universität Freiburg; Betreuer am Fraunhofer IAF Thesis written at the University of Freiburg; supervisor at Fraunhofer IAF 56

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Zukunft gestalten: Berufliche Chancen am Fraunhofer IAF Shaping the Future: Career Opportunities at Fraunhofer IAF 58

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Am Puls des technologischen Fortschritts Ob in Forschung, Technik oder Verwaltung, als junge Wilde oder alter Hase – das Fraunhofer IAF bietet zukunftsträchti- ge Tätigkeiten in einem internationalen wissenschaftlichen Umfeld. Als eine der wenigen wissenschaftlichen Einrichtun- gen weltweit leisten wir Forschungs- und Entwicklungsarbeit entlang der gesamten Halbleiter-Wertschöpfungskette – im Rahmen öffentlicher Vorhaben wie auch für die Industrie. Dabei treffen anspruchsvolle Aufgaben auf eine familiäre Unternehmenskultur mit einer Vielzahl an Benefits der Fraunhofer-Gesellschaft und speziell des Fraunhofer IAF. Besonders reizvoll: Alle arbeiten unmittelbar am Puls des technologischen Fortschritts und erleben aus nächster Nähe, wie Innovationen entstehen, die das Morgen prägen. Außer- dem profitieren sie von dem globalen Fraunhofer-Netzwerk, einer hervorragenden Vereinbarkeit von Familie und Beruf sowie von Leistungs- und Erfolgsprämien. At the cutting edge of technological progress Whether in research, technology or administration, as a young professional or old hand — Fraunhofer IAF offers promising activities in an international scientific environ- ment. As one of the few scientific institutions worldwide, we per form research and development work along the entire semiconductor value chain — in the context of public projects as well as for industry. Challenging tasks meet a family-like corporate culture with a multitude of benefits from the Fraunhofer-Gesellschaft as well as specific benefits from Fraunhofer IAF. Particularly appealing: Everybody works directly at the cutting edge of technological progress and experiences firsthand how innovations are created that shape tomorrow. Moreover, they benefit from the global Fraunhofer network, an excellent work-life balance as well as performance and success bonuses. Vorteile Benefits Ein modern ausgestattetes und international geprägtes Arbeitsumfeld Eigenverantwortliches Arbeiten und kreatives Mitgestalten Persönliche Entwicklungsmöglichkeiten durch Weiterbildungsmaßnahmen Sehr gute Sozialleistungen Interne Sportangebote Gemeinsame Aktionen und Feste Regelmäßige Vortrags- und Info-Formate A modern equipped and international working environment Independent work and creative participation Personal development opportunities through further training measures Very good social benefits Internal sports activities Joint activities and parties Regular presentations and information formats Vielfältige Bildungswege Am Fraunhofer IAF werden nicht nur zukunftsträchtige Technologien entwickelt, sondern auch die dafür verantwort- lichen Fachkräfte. Neben der Betreuung von Promotionen in den Fachbereichen rund um Physik und Ingenieurwesen ist es möglich, naturwissenschaftliche oder technische Master- und Bachelorarbeiten am Institut zu schreiben und ein duales Studium zu absolvieren. Außerdem bildet das Fraunhofer IAF aus – zum Beispiel in den Feldern Industriemechanik und Fach- informatik. Diverse educational paths Fraunhofer IAF not only develops future technologies, but also the professionals responsible for them. In addition to super- vising PhD candidates in the fields of physics and engineer ing, it is possible to write scientific or technical master’s and bache- lor’s theses at the institute and complete an integrated degree program. Fraunhofer IAF also offers apprenticeships — for example in the fields of industrial mechanics and information technology. 60

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Transfer durch Projekte Transfer Through Projects Auf den folgenden Seiten stellen wir einige unserer spannendsten Projekte vor, in denen wir gemeinsam mit interdisziplinären Partnern neue Lösungen erforschen und Innovationen anwenden. The following pages feature some of our most exciting projects in which we are researching new solutions and applying innovations together with inter- disciplinary partners. 62

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Rauscharme Verstärker für Satelliten der ESA Low-Noise Amplifiers for ESA Satellites Mobile Kommunikation mit höheren Datenraten, präzisere Wettervorhersagen und Klimabeobachtung sowie ein stärkerer Schutz der eigenen Bevölkerung – für Europa hat das Weltall in verschiedenen Bereichen massiv an Bedeutung gewon- nen. Um mit den globalen Entwicklungen mitzuhalten, setzt die Europäische Welt- raumorganisation (European Space Agency, ESA) auf modernste Satellitentechnik. Zu den ausgewählten Partnern und Lieferanten der ESA gehört das Fraunhofer IAF, das für Satelliten und Bodenstationen leistungsstarke wie robuste Halbleiterkom- ponenten auf Basis der Materialsysteme Galliumnitrid (GaN) und Indiumgalliumar- senid (InGaAs) entwickelt und fertigt. Mobile communication with higher data rates, more precise weather forecasts and climate observation as well as stronger protection for its own population — space has gained massive importance for Europe in various areas. To keep up with global developments, the European Space Agency (ESA) relies on state-of-the-art satellite technology. Fraunhofer IAF is among the selected partners and suppliers of the ESA, developing and producing high-performance and robust semiconductor components based on the material systems gallium nitride (GaN) and indium gallium arsenide (InGaAs) for satellites and ground stations. Der Arctic Weather Satellite der ESA startete im Sommer 2024 seine Mission auf einer erdnahen Umlaufbahn. Das hochmoderne Mikrowellenradiometer, das er zur Erhebung von Wetter- und Klimadaten nutzt, enthält vier rauschar- me Verstärker des Fraunhofer IAF mit weltweit führender InGaAs-mHEMT-Technologie. ESA’s Arctic Weather Satellite started its mission in a low-Earth orbit in summer 2024. The state-of-the-art microwave radio- meter it uses to collect weather and climate data contains four Fraunhofer IAF LNAs with world-leading InGaAs mHEMT technology. 64

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Ein mehrjähriger Einsatz im Weltraum stellt besonders hohe Anforderungen an elektronische Komponenten in Satelliten. Sie müssen sowohl eine spezifische Leistung erreichen als auch möglichst kompakt, effizient und robust sein, da Energie und Platz knappe Ressourcen im All sind und versagende Bauteile nicht mitten im Einsatz ersetzt werden können. Durch seine Expertise und seine umfassende Infrastruktur im Bereich der III-V-Verbindungshalbleiter hat sich das Fraunhofer IAF in den vergangenen zwei Jahrzehnten als verlässlicher Partner für innovative weltraumgeeignete Satellitentechnologien bewährt, wie sich in zahlreichen Projekten zeigt. MMIC-Entwicklung und -Fertigung entlang der III-V-Halbleiter-Wertschöpfungskette Die wichtigsten Bauelemente, die Forschende des Fraunhofer IAF für Weltraumanwendungen entwickeln, bilden monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (monolithic microwave integrated circuits, MMICs): Im Fall von Kommunikationssystemen in Satelliten und Bodenstatio- nen werden diese mit GaN-basierten Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (metamorphic high-electron-mobi- lity transistors, HEMTs) realisiert, im Fall von passiven Mikro- wellenradiometern zur Erdbeobachtung mit InGaAs-basierten metamorphen HEMTs (mHEMTs). Hinsichtlich Verstärkung, Rauschen, Kompaktheit und Robustheit erzielen die Ver- stärkermodule des Fraunhofer IAF regelmäßig internationale Bestwerte. Several years of use in space places particularly high demands on electronic components in satellites. They must achieve a specific performance while also being as compact, efficient and robust as possible, since energy and storage are scarce in space and failed components cannot be replaced in the middle of a mission. With its expertise and comprehensive infrastructure in the field of III-V compound semiconductors, Fraunhofer IAF has proven itself as a reliable partner for inno- vative space-qualified satellite technologies over the past two decades, as numerous projects have shown. MMIC development and manufacturing along the III-V semiconductor value chain The most important components that Fraunhofer IAF researchers are developing for space applications are mono- lithic microwave integrated circuits (MMICs): In the case of communication systems in satellites and ground stations, these are realized with GaN-based high-electron-mobility transistors (HEMTs), in the case of passive microwave radiometers for earth observation with InGaAs-based metamorphic HEMTs (mHEMTs). In terms of gain, noise, compactness and robust- ness, the amplifier modules from Fraunhofer IAF regularly achieve top international ratings. 66

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Nahaufnahme des mHEMT-MMIC für den Frequenzbereich um 89 GHz, integriert in das ent- sprechende LNA-Modul für das AWS-Mikrowellenradiometer Close-up of the mHEMT MMIC for the frequency range around 89 GHz, integrated into the corresponding LNA module for the AWS microwave radiometer InGaAs-mHEMT-LNAs für das AWS-Mikrowellenradiometer Am 16. August 2024 wurde der Arctic Weather Satellite (AWS) der ESA auf die Reise zu seiner polaren Umlaufbahn in 600 km Höhe über der Erde geschickt. Mit an Bord waren vier LNA-Module mit InGaAs-mHEMT-MMICs des Fraunhofer IAF, die wesentliche Bestandteile des passiven Mikrowellenradio- meters bilden, mit dem der AWS Temperatur und Feuchtig- keit in der Arktis so präzise misst wie nie zuvor. Dies soll dazu beitragen, sowohl die Arktis als auch das globale Wetter und den Klimawandel, der in ihr besonders sichtbar wird, besser zu verstehen. Die vier Module samt MMICs wurden vollständig am Fraun- hofer IAF entwickelt sowie gefertigt und decken drei der vier Kanalgruppen des Radiometers ab: ein Modul den Frequenz- bereich um 54 GHz, zwei identische Module den um 89 GHz (für eine größere Gesamtverstärkung wurden die Module in Reihe geschaltet), und ein Modul den Bereich um 170 GHz. Ist die Mission erfolgreich, plant die ESA eine weltumspannende Konstellation aus baugleichen Kleinsatelliten in das Weltall zu bringen, um im globalen Maßstab präzisere und kurzfristigere Wettervorhersagen (›Nowcasting‹) sowie Klimabeobachtungen zu ermöglichen. InGaAs mHEMT LNAs for the AWS microwave radiometer On August 16, 2024, ESA’s Arctic Weather Satellite (AWS) was sent on its journey to its polar orbit 600 km above the Earth. On board were four LNA modules with InGaAs mHEMT MMICs from Fraunhofer IAF, which form essential compo- nents of the passive microwave radiometer with which the AWS measures temperature and humidity in the Arctic more precisely than ever before. This will contribute to a better understanding of both the Arctic and the climate change that is particularly visible in it. The four modules including MMICs were developed and manufactured entirely at Fraunhofer IAF and cover three of the four channel groups of the radiometer: one module covers the frequency range around 54 GHz, two identical modules cover the range around 89 GHz (the modules were connected in series for greater overall amplification), and one module covers the range around 170 GHz. If the mission is successful, ESA plans to launch a global constellation of identical small satellites into space to enable more precise and shorter-term weather forecasts (so-called nowcasting) and climate observa- tions on a global scale. 68

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Pionierleistung in der Chipintegration für 6G-Kommunikationssysteme Pioneering Achievement in Chip Integration for 6G Communication Systems Der Mobilfunk der 6. Generation (6G) wird den Sub-Terahertz-Frequenzbereich (100 GHz bis 1 THz) nutzen, um extrem hohe Datenraten, enorme Bandbreiten und minimale Latenzzeiten zu ermöglichen. Doch höhere Frequenzen bringen auch höhere Übertragungsverluste mit sich. Forschende des Fraunhofer IAF arbeiten deshalb an der On-Chip-Integration relevanter Komponenten, um die gesamte Ausgangsleistung und damit die potenzielle Reichweite zukünftiger Kommunika- tionssysteme zu steigern. Ihr Durchbruch im Projekt 6G-RIC ist ein weltweit einzig- artiger Chip auf Basis von III-V-Halbleitern: ein Phased-Array-MMIC mit acht Kanä- len. Durch die Kombination aus hohen Frequenzen mit hoher Leistung und präziser Phasensteuerung ist das MMIC ein bedeutender Meilenstein in der 6G-Forschung. The sixth-generation (6G) mobile networks will leverage the sub-terahertz frequency range (100 GHz to 1 THz) to enable ultra-high data rates, vast bandwidths, and minimal latency. However, higher frequencies also come with increased transmission losses. To address this challenge, researchers at Fraunhofer IAF are working on on-chip inte- gration of key components to enhance the total output power and, consequently, the potential range of future communication systems. Their breakthrough in the 6G-RIC project is a globally unique chip based on III-V semiconductors: a phased-array MMIC with eight channels. By combining high frequencies with high power and precise phase control, this MMIC represents a significant milestone in 6G research. Im Rahmen vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts 6G-RIC (6G Research and Inno- vation Cluster) haben Forschende am Fraunhofer IAF ein acht- kanaliges aktives Phased-Array-MMIC (monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung) entwickelt. Es arbeitet im Frequenzbe- reich um 300 GHz und vereint Vektormodulatoren, Leistungs- verstärker und Antennen auf einem einzigen Chip, was eine effiziente Over-the-Air-Kombination der acht Ausgangssignale und damit eine Steigerung der gesamten Ausgangsleistung ermöglicht. As part of the 6G Research and Innovation Cluster (6G-RIC) project funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF), researchers at Fraunhofer IAF have develo- ped an eight-channel active phased-array MMIC (monolithic microwave integrated circuit). Operating at around 300 GHz, this chip integrates vector modulators, power amplifiers, and antennas into a single unit. This allows for efficient over-the- air combination of the eight output signals, thereby increasing total output power. 70

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Durchbruch in der hochkomplexen Chipintegration mit III-V-Halbleitern Für die Entwicklung des MMIC war ein hoher Integrations- grad erforderlich, da die gewünschte Anzahl paralleler Kanäle auf einem einzigen Chip besondere Herausforderungen mit sich brachte. Gleichzeitig musste eine hohe Verstärkung und Ausgangsleistungsdichte sichergestellt werden. All diese Anforderungen konnten durch ein hochkomplexes Design mit der eigenen 35-nm-InAlAs/InGaAs-mHEMT-Technologie des Fraunhofer IAF erfolgreich erfüllt werden. Die Kombination aus Bitauflösung, Betriebsbandbreite und Verstärkungsgrad macht diese MMIC-Entwicklung auf Basis von III-V-Halbleitern weltweit einzigartig. Zwar sind silizium- basierte Technologien bei der Integration von Antennenarrays weit fortgeschritten, jedoch bleibt ihre geringe Ausgangsleis- tung pro integrierten Kanal ein entscheidender Nachteil gegen- über III-V-Halbleitern. Breakthrough in high-complexity chip integration with III-V semiconductors The development of this MMIC required a high level of integ- ration, as the desired number of parallel channels on a single chip posed significant challenges. At the same time, high gain and output power density had to be ensured. These require- ments were successfully met through an advanced chip design using the proprietary 35-nm InAlAs/InGaAs-mHEMT techno- logy of Fraunhofer IAF. The combination of bit resolution, operating bandwidth, and gain level makes this III-V semiconductor-based MMIC a one- of-a-kind development worldwide. While silicon-based techno- logies have made significant progress in integrating antenna arrays, their low output power per integrated channel remains a key disadvantage compared to III-V semiconductors. 72

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Thermografische Verkehrsüberwachung mit bispektraler Kamera Thermographic Traffic Monitoring with Bispectral Camera Im BMBF-Projekt BiCam haben das Fraunhofer IAF und die DIAS Infrared GmbH den Prototyp eines Outdoor-Kamerasystems entwickelt, das eine berührungs- und lückenlose thermografische Überwachung von fließenden Verkehrsströmen ermöglichen kann. Die Kamera soll potenzielle Bauteildefekte und Brände durch die Detektion von überhitzten Bereichen (»Hotspot«) frühzeitig erkennen und so die Sicherheit im Straßen- und Schienenverkehr erhöhen. In einem Feldtest hat das System sein Potenzial demonstriert, als es einen Hotspot eines vorbeifahrenden Zugs detektierte. Für die Kamera entwickelte das Fraunhofer IAF einen neuartigen InGaAsSb-basierten Zeilensensor für den eSWIR-Spektralbereich. In the BMBF-funded project BiCam, Fraunhofer IAF and DIAS Infrared GmbH have developed a prototype of an outdoor camera system that can enable contactless and seamless thermographic monitoring of moving traffic. The camera is designed to detect potential component defects and fires at an early stage by identifying over- heated areas (hot spots), thus increasing road and rail safety. In a field test, the system demonstrated its potential by detecting a hot spot on a passing train. Fraunhofer IAF developed a novel InGaAsSb-based line sensor for the eSWIR spectral range for the camera. 74

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 650 600 550 500 450 300 K, -100 mV 30 20 10 i s l e x p f o r e b m u N 2 2.2 2.4 2.6 2.8 ) m µ ( h t g n e e v a W l ) V e m ( y g r e n E 0 100 200 300 0 1.0 1.5 2.0 Temperature (K) Dark current density (mA/cm2) Links: Bandlückenenergie einer Probenserie aus InGaAsSb-Detektormaterial mit Kompositionsvariation aufgetragen über die Temperatur mit korrespondierender Grenzwellenlänge; rechts: Verteilung der Dunkelstromdichte aller 256 Pixel eines eSWIR- Zeilendetektors mit angepasster Normalverteilung Left: band gap energy of a series of samples of InGaAsSb detector material with composition variation plotted against tempe- rature with corresponding cut-off wavelength; right: distribution of the dark current density of all 256 pixels of an eSWIR line detector with fitted normal distribution Für das Fraunhofer IAF lag der Schwerpunkt der technischen Innovation in der Entwicklung eines Sensors, der eine Detek- tivität von mindestens 5 × 1010 cm Hz1/2/W bei einer Empfind- lichkeit im Wellenlängenbereich von 1,6 bis 2,6 µm aufweist. Hierfür haben die Forschenden Zeilendetektoren für erweiterte kurzwellige Infrarotstrahlung (eSWIR) mit 256 Pixeln herge- stellt, die bei Raumtemperatur arbeiten. For Fraunhofer IAF, the focus of the technical innovation was on the development of a sensor that exhibits a detectivity of at least 5 × 1010 cm Hz1/2/W at a sensitivity in the wavelength range of 1.6 to 2.6 µm. The researchers have realized line detectors for extended short-wavelength infrared (eSWIR) radiation with 256 pixels that operate at room temperature. Herstellung von Zeilendetektoren am Fraunhofer IAF Um die eSWIR-Zeilendetektoren herzustellen, hat das Team am Fraunhofer IAF das quaternäre Detektormaterial Indium- galliumarsenantimonid (InGaAsSb) epitaktisch gewachsen. Zur Bestimmung des temperaturabhängigen Verlaufs der Bandlückenenergie des Materials wurde eine Probenserie mit variiertem In/Ga-Verhältnis hergestellt. Anhand der gemesse- nen Photolumineszenz der Proben wurden die Bandlücken- energien des Detektormaterials bestimmt. Die abgeleiteten Grenzwellenlängen der Probenserie liegen genau im ange- strebten Wellenlängenbereich, was einen Betrieb der Zeilende- tektoren nahe Raumtemperatur ermöglicht (siehe Diagramm, links). Die Variabilität der Grenzwellenlänge im angestrebten Bereich bei gleichzeitiger Einhaltung der Gitteranpassung an das Substratmaterial erwies sich dabei als wichtiger Optimierungsparameter. Manufacturing of line detectors at Fraunhofer IAF To produce the eSWIR line detectors, the team at Fraunhofer IAF epitaxially grew the quaternary detector materi- al indium gallium arsenic antimonide (InGaAsSb). To determine the temperature-dependent band gap energy of the material, a series of samples with a varied In/Ga ratio was produced. The photoluminescence of the samples was measured to determine the band gap energies of the detector material. The derived cut-off wavelengths of the sample series lie exactly in the targeted wavelength range, which allows the line detectors to be operated close to room temperature (see diagram, left). The variability of the cut-off wavelength in the targeted range while maintaining the lattice matching to the substrate mate- rial proved to be an important optimization parameter. In the next step, the researchers developed a special mask set to create line detectors with 256 pixels of different geome- tries from the epitaxially grown material. A semi-automatic 76

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Tatortuntersuchung @ Fraunhofer IAF – Das EU-Projekt RISEN Crime Scene Investigation @ Fraunhofer IAF — EU Project RISEN Die direkte kontaktlose Detektion und chemische Identifizierung von Spuren an einem Tatort kann bei toxischen oder explosiven Substanzen die Sicherheit der Ein- satzkräfte deutlich erhöhen und gleichzeitig die Ermittlungen beschleunigen, da aufwändige Laboruntersuchungen entfallen. Im EU-Projekt RISEN entwickelte das Fraunhofer IAF einen Technologiedemonstrator, der mittels laserbasierter IR-Spek- troskopie zahlreiche forensisch relevante Substanzen innerhalb von Sekunden- bruchteilen identifiziert. The direct contactless detection and chemical identification of traces at a crime scene can significantly enhance the safety of emergency responders when dealing with toxic or explosive substances, while simultaneously accelerating investigations, as complex laboratory analyses become unnecessary. In the EU project RISEN, Fraunhofer IAF developed a technology demonstrator that identifies numerous forensically relevant substances within fractions of a second using laser-based IR spectroscopy. Tatortermittler mit dem IR-Spektroskopiesystem des Fraunhofer IAF in der fiktiven Szene der Carabinieri bei der Detektion von Drogen und Explosivstoffen Crime scene investigators with the Fraunhofer IAF IR spectroscopy system in a fictional scene of the Carabinieri detecting drugs and explosives 78

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Internationales Jahr der Quanten- wissenschaft und -technologie International Year of Quantum Science and Technology Die Quantentechnologien sind aus den Wissenschaftsnachrichten nicht mehr weg- zudenken. Da überrascht es, dass die Formulierung der Quantenmechanik im Jahr 2025 schon genau einhundert Jahre zurückliegt. Zu diesem Anlass hat die UNESCO das Jahr 2025 zum Quantenjahr erklärt. Auch am Fraunhofer IAF sind Quanten schon lange fester Bestandteil der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Auf- bauend auf der langjährigen Transfererfahrung mit Quantentechnologien der ersten Generation wie der Lasertechnologie konnten jüngst auch in der zweiten Generation entscheidende Schritte in Richtung erster Anwendungen am Freiburger Institut geleistet werden. Quantum technologies dominate the science news. It is therefore surprising that the formulation of quantum mechanics dates back one hundred years. To mark the occasion, UNESCO has declared 2025 the Year of Quantum. At Fraunhofer IAF, quan- tum technologies have long been an integral part of its research and development work. Building on many years of experience in transferring first-generation quantum tech nologies, such as laser technology, the institute has recently taken decisive steps towards the first applications of second-generation quantum technologies. »Quantum2025 – 100 Jahre sind erst der Anfang…« Mit diesem Motto wird das Jubiläum der Quantentechnologien eingeläutet und auch am Fraunhofer IAF zeigt sich, dass das Forschungsfeld noch lange nicht erschöpft ist. In einer Vielzahl von nationalen sowie internationalen Verbundprojekten wird am Fraunhofer IAF ein systemischer Forschungsansatz vom Material über die Integration bis hin zur Software verfolgt. “Quantum2025 — 100 years is just the beginning...” This is the motto of the anniversary of quantum technologies, and at Fraunhofer IAF, too, it is clear that the research potential of this field is far from exhausted. In a large number of national and international joint projects, Fraunhofer IAF is pursuing a systematic research approach from materials to integration and software. Diamant als Gamechanger Das Herzstück der Quantentechnologien des Fraunhofer IAF bilden Farbzentren in Festkörpern. Diese können unter anderem mittels Stickstoffdotierungen in Diamant hergestellt werden (Stickstoff-Vakanz-Zentren, NV-Zentren). In diesem Forschungsbereich ist das Fraunhofer IAF weltweit führend und treibt in Kooperation mit Unternehmen wie Quantum Brilliance den Transfer in industrielle Anwendungen voran. Die atomaren Defekte im Diamantgitter können, wenn sie mit Lasern und Mikrowellen manipuliert werden, externe physikalische Para- meter mit extremer Präzision messen und so als hochsensible Quantensensoren fungieren. Mehr zu der Anwendung in der Quantensensorik erfahren Sie auf S. 90. Diamond as game changer At the heart of quantum technologies at Fraunhofer IAF are color centers in solids. These can be produced, for example, by nitrogen doping in diamond (nitrogen-vacancy centers, NV centers). Fraunhofer IAF is a world leader in this field of research and, in cooperation with companies such as Quantum Brilliance, is driving forward the transfer of research into indus- trial applications. When manipulated with lasers and micro- waves, the atomic defects in the diamond lattice can measure external physical parameters with extreme precision and thus act as highly sensitive quantum sensors. Read more about the application in quantum sensing on p. 90. 80

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Maßstäbe setzen – Wege zu skalierbaren Festkörper- Quantencomputern Setting the Bar — Pathways to Scalable Solid-State Quantum Computers Geringerer Kühlbedarf, längere Operationszeiten, kleinere Fehlerraten: Quanten- computer auf Basis von Farbzentren in Diamant versprechen wesentliche Vorteile gegenüber konkurrierenden Quantencomputing-Technologien. Im Gegensatz zu den bereits relativ weit entwickelten supraleitenden Systemen bedarf es jedoch noch wichtiger Fortschritte in der Erforschung und Entwicklung festkörperba- sierter Quantentechnologien. Am Fraunhofer IAF werden mehrere Ansätze ganz- heitlich verfolgt, um das große Potenzial dieser Technologie frühzeitig aus der Grundlagenforschung in die Anwendung zu überführen und so eine neue Ära des Quantencomputings einzuläuten. Lower cooling requirements, longer operation times, smaller error rates: quantum computers based on color centers in diamond promise significant advantages over competing quantum computing technologies. In contrast to the relatively advanced superconducting systems, however, important advances in research and development of solid-state-based quantum technologies are still needed. At Fraunhofer IAF, sever- al approaches are therefore being pursued holistically in order to transfer the great potential of this technology from the basic research to applications at an early stage paving the way for a new era of quantum computing. 82

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Sekundenschnell komplexe Probleme lösen, für die selbst moderne Supercomputer Jahrzehnte bräuchten – darin besteht das Versprechen von Quantencomputern. Doch so klar das Ziel vor Augen steht, so differenziert ist der Weg dorthin. Denn bis heute konkurrieren mehrere Ansätze zur Realisierung von Quantencomputern miteinander und bislang konnte sich noch keiner entscheidend durchsetzen. Jeder Ansatz hat hardware- wie softwareseitig spezifische Vor- und Nachteile, die sich von der Zuverlässigkeit über den Energieverbrauch bis hin zur Kompatibilität mit konventionellen Systemen erstrecken. Solving complex problems in a matter of seconds that would take even modern supercomputers decades — that is the pro- mise of quantum computers. However, while the goal is clear, the path to achieving it is not. To date, several approaches to realizing quantum computers are competing with each other, and so far, none has been able to establish itself decisively. Each approach has specific advantages and disadvantages in terms of hardware and software, ranging from reliability and energy consumption to compatibility with conventional systems. Einen relativ jungen und dabei sehr vielversprechenden For- schungsansatz bilden Quantencomputer basierend auf Farb- zentren in Diamant. Hybrid integrierbare, skalierbare und nahe Raumtemperatur funktionierende Festkörper-Quantenbauele- mente bieten eine robuste und energieeffiziente Alternative zu etablierten Quantencomputer-Hardwareplattformen, die sper- rige Vakuumaufbauten beziehungsweise kryogene Kühlung erfordern. Gleichzeitig bieten Spin-Qubits in Diamant längere Operationszeiten und kleinere Fehlerraten als vergleichbare, kommerziell verfügbare Systeme auf dem Stand der Technik – eine wichtige Voraussetzung für die Nutzung von komple- xen Quantenalgorithmen mit vielen Gatteroperationen, die anwendungsseitig Vorteile gegenüber klassischem Computing bieten können. Eine der größten Herausforderungen bei der Realisierung eines Quantencomputers basierend auf Farbzentren in Diamant stellt die skalierbare Kopplung der Qubits dar. Am Fraunhofer IAF werden mehrere Ansätze verfolgt, die in unterschiedlichen Quantencomputing-Anwendungen zum Einsatz kommen können. Im Projekt SPINNING werden Quantenregister durch photonische Kopplung mit Hilfe von optischen Mikroreso- natoren realisiert, die in ersten Benchmarking-Analysen alle gängigen Systeme und Erwartungen übertreffen konnten. Im Projekt SPINUS kommt eine direkte magnetische Kopplung von Qubits zum Einsatz, die durch neuartige Auslesetechniken und verbesserte Materialsynthese ergänzt wird. Auf diesem Ansatz aufbauend werden parallel zu skalierbaren Quantencomputern auch Quantensimulatoren entwickelt. Dies ermöglicht es, von Synergien zwischen den beiden Computing-Paradigmen zu profitieren. A relatively new and very promising research approach is quan- tum computing based on color centers in diamond. Hybrid integrable, scalable solid-state quantum devices that function near room temperature offer a robust and energy-efficient alternative to established quantum computing hardware plat- forms that require bulky vacuum setups or cryogenic cooling. At the same time, spin qubits in diamond offer longer oper- ation times and smaller error rates than comparable, com- mercially available systems based on the state of the art — an important prerequisite for complex quantum algorithms with many gate operations that can offer advantages over classical computing in applications. One of the biggest challenges in realizing a quantum compu- ter based on color centers in diamond is the scalable coupling of the qubits. At Fraunhofer IAF, two approaches are being pursued that can be used in different quantum computing applications. In the SPINNING project, quantum registers are real ized by photonic coupling using optical microcavities, which have surpassed all conventional systems and expecta- tions in initial benchmarking analyses. In project SPINUS, direct magnetic coupling of qubits is used, which is complemented by novel readout techniques and improved material synthesis. Building on this approach, scalable quantum computers and quantum simulators are developed in parallel. This makes it possible to benefit from synergies between the two computing paradigms. Bei Quantencomputern auf Basis von NV-Zent- ren in Diamant wird der Diamantchip unter ein optisches Mikroskop gelegt, das zur Initialisie- rung und zum optischen Auslesen des NV-Zentrums verwendet wird For quantum computers based on NV centers in diamond, the diamond chip is placed under an optical microscope that is used to initialize and read out the NV center optically 84

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 2 µm Rasterelektronenmikroskopieaufnahme eines Mikroresonators, gefertigt in Diamant mit NV-Farbzentren detektiert, durch Kathodolumineszenz Scanning electron micrograph of a microcavity fabricated in diamond with NV color centers detected by cathodo - luminescence Light Source NVA NVB Schematische Darstellung der Verschränkung von zwei Qubit-Registern entsprechend den Ergebnissen des Projekts SPINNING Schematic representation of the entanglement of two qubit registers as achieved in project SPINNING 86 Quantensimulatoren sind ein wichtiges Werkzeug zur Untersu- chung von sogenannten angetrieben-dissipativen Quantensys- temen und topologischen Phasen der Materie. Die Berechnung großer Quantensysteme ist selbst für klassische Supercomputer eine Herausforderung. Daher wird in SPINUS nicht nur ein fest- körperbasierter Quantencomputer mit mehr als zehn Qubits realisiert, sondern auch ein Festkörper-Quantensimulator, der die Simulation mit mehr als 50 Qubits ermöglicht. Dabei kommt ein ganzheitlicher Ansatz zu tragen, der gleich mehrere Schlüsselinnovationen vorantreibt. Neben NV-Zentren in Diamant werden auch Silizium-Vakanz- und Divakanz-Zent- ren in Siliziumkarbid als vielversprechendes alternatives Wirts- material untersucht. Es werden neue Materialwachstumspro- zesse entwickelt, um Sandwichstrukturen aus Schichten von wenigen Nanometern Dicke von durch Isotopen kontrolliertem Diamant und Siliziumkarbid zu synthetisieren. Darüber hinaus werden Co-Dotierung und Oberflächenterminierung getestet, um die Farbzentrenausbeute und Ladungsstabilität zu erhöhen. Elektrische Auslesetechniken werden mit Einzelelektronen- Bipolartransistoren als Verstärker kombiniert, um eine hochprä- zise Spinauslesung bei Raumtemperatur zu erreichen, die mit den dichten Anordnungen von dipolgekoppelten NV-Zentren kompatibel ist. Diese experimentellen Forschungen werden durch die Ent- wicklung eines umfassenden Software-Stacks flankiert. Dieser umfasst verbesserte Protokolle zur Hardware-Charakterisierung der neuen Defekte und bessere Steuerungssequenzen für Initialisierung, Auslesen und Quantengatter. Hybride Varia- tionsalgorithmen für Quantenoptimierung, Quantenchemie und Quantenmaschinenlernen werden auf die Hardware zuge- schnitten, um realistische Anwendungsfälle zu identifizieren, in denen festkörperbasierte Quantenbauelemente einen Vorteil gegenüber klassischen Computern bieten können. Eine neue Ära der Quantencomputer Die Projekte SPINNING und SPINUS zeigen gleich mehrere Wege auf, die am Fraunhofer IAF verfolgt werden, um skalier- bare, festkörperbasierte Quantencomputer zu demonstrie- ren. Bei der Forschung und Entwicklung steht der Transfer in kommerzielle Systeme wie die der Industriepartner im Vorder- grund. Gemeinsam mit seinen Projektpartnern setzt das Fraunhofer IAF neue Maßstäbe für Festkörper-Quantentech- nologien und ebnet so den Weg für eine neue Generation robuster und energieeffizienter Quantencomputer, die neue Märkte wie mobile oder dezentrale Anwendungen erschließen können.

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 DAS Quantencomputing-Ökosystem Baden-Württembergs THE Quantum Computing Ecosystem in Baden-Württemberg Das Potenzial der Quantencomputer nutzen und einen echten Vorteil für praxis- relevante Anwendungen erzielen – dieses Ziel wird weltweit verfolgt. In Baden- Württemberg ist das Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg (KQCBW) mit seiner Forschung ganz vorne mit dabei. In erfolgreichen Verbundpro- jekten konnten in verschiedenen Bereichen des Quantencomputings große Fort- schritte erzielt werden. Der Erfolg des KQCBW wird fortgesetzt und das einzigarti- ge Quantencomputing-Ökosystem im Land weiter ausgebaut. Harnessing the potential of quantum computers and achieving a real advantage for practical applications — this goal is being pursued worldwide. In Baden-Württemberg, Germany, the Competence Center Quantum Computing Baden-Württemberg (KQCBW) is at the forefront of this research. Major progress has been made in various areas of quantum computing in successful joint projects. The success of the KQCBW will be continued and the unique quantum computing ecosystem in the state of Baden- Württemberg, Germany, will be further expanded. Unter dem Dach der baden- württembergischen Quan- tentechnologie-Innovations- initiative QuantumBW leistet das KQCBW zentrale Beiträge zu Fortschritten im Quanten- computing und zur Fortschrei- bung der Landesstrategie in diesem Feld Under the umbrella of Baden- Württemberg‘s innovation initiative on quantum tech- nologies, QuantumBW, the KQCBW contributes signifi- cantly to advances in quan- tum com puting and to the development of the state’s strategy in this field 88

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Revolutionäre Präzision: Projekt AMADEUS und die Zukunft der Quantensensorik Revolutionizing Precision: Project AMADEUS and the Future of Quantum Sensing Quantentechnologien gestalten die Zukunft, und das EU-Projekt AMADEUS steht an der Spitze dieser Revolution. Durch die Nutzung von NV-Zentren in Diamant entwickelt das Projekt vier bahnbrechende Anwendungen für die Quanten- sensorik, die eine unübertroffene Präzision bei der Messung magnetischer und elektrischer Felder ermöglichen. Das Fraunhofer IAF spielt eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung dieser Innovationen, indem es den Wissenstrans- fer zwischen den Partnern erleichtert und Wege für die industrielle Umsetzung erforscht. AMADEUS zeigt, wie aus Spitzenforschung reale Lösungen werden und den Weg für eine smartere und effizientere Gesellschaft ebnen. Quantum technologies are shaping the future, and the EU project AMADEUS is at the forefront of this revolution. By utilizing NV centers in diamond, the project four devel- ops groundbreaking applications for quantum sensing, delivering unmatched precision in measuring magnetic and electric fields. Fraunhofer IAF plays a vital role in advancing these innovations, facilitating knowledge transfer among partners and exploring ave- nues for industrial implementation. AMADEUS illustrates how cutting-edge research evolves into real-world solutions, paving the way for a smarter and more efficient society. Das Weitfeldmagnetometer erlaubt es, lokalisierte Defekte im Mikrometerbereich abzubilden (hier in einem Mikrochip) The wide-field magnetometer makes it possible to image localized defects in the micrometer range (here in a microchip) 90

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Quantentechnologien haben sich als transformative Kraft erwiesen, die Herausforderungen in Bereichen vom Gesund- heitswesen bis hin zur industriellen Automatisierung angeht. Das EU-Projekt »AMADEUS – Advancing the Market Uptake of Diamond Defect Quantum Sensors« veranschaulicht dieses Potenzial durch die Entwicklung von vier innovativen Quan- tensensor-Anwendungen auf der Grundlage von Stickstoff- Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant. Diese Sensoren verbessern die Präzisionsmessung und ermöglichen eine beispiellose Genauigkeit bei der Erkennung magnetischer und elektrischer Felder in verschiedenen Branchen. Zusammenarbeit und Wissenstransfer sind Grundpfeiler von AMADEUS. Das Fraunhofer IAF arbeitet eng mit Projektpart- nern zusammen, darunter Universitäten, Forschungseinrichtun- gen und Industrieunternehmen, um eine nahtlose Integration von Fachwissen und Technologie zu gewährleisten. Durch die frühzeitige Einbindung potenzieller Endnutzer werden im Rahmen des Projekts die wichtigsten Herausforderungen bei der Sensoreinführung ermittelt und durch iteratives Design und Testen angegangen. Die Fortschritte des Instituts beim opti- mierten Diamantwachstum und den Verarbeitungstechniken waren entscheidend für die Überführung theoretischer Fort- schritte in konkrete Technologien. Dies ermöglichte ultrareine Diamantsubstrate mit NV-Zentren in kontrollierter Dichte und Schichtdicken vom Mikrometer- bis in den Nanometerbereich, was für eine optimale Sensorleistung entscheidend ist. Ein Beispiel ist in Abbildung 1 dargestellt: Sie zeigt das SIMS-Pro- fil (Sekundärionen-Massenspektrometrie) einer isotopisch kontrollierten NV-dotierten Diamantschicht zeigt, die mit einer Schichtdicke von 80 Mikrometern (blaue Linie, die den Einbau von 15N zeigt) gewachsen wurde. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer IAF ein Weitfeld- magnetometer zur Erkennung von Defekten in Halbleiterschal- tungen weiter: ein Werkzeug, das die Effizienz der Qualitäts- kontrolle und Fehleranalyse in der Mikroelektronik verbessert. Quantum technologies have emerged as a transformative force, addressing challenges in areas from healthcare to indus- trial automation. The EU project AMADEUS — Advancing the Market Uptake of Diamond Defect Quantum Sensors exem- plifies this potential by developing four innovative quantum sensing applications based on nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond. These sensors advance precision measurement, ena- bling unparalleled accuracy in detecting magnetic and electric fields across multiple industries. Collaboration and knowledge transfer are hallmarks of AMADEUS. Fraunhofer IAF is cooperating closely with part- ners, including universities, research organizations, and indus- trial stakeholders, to ensure seamless integration of expertise and technology. By engaging early with potential end users, the project identifies key challenges in sensor deployment and addresses them through iterative design and testing. The insti- tute’s advances in optimized diamond growth and processing techniques have been crucial in translating theoretical advance- ments into tangible technologies. It allowed for ultrapure diamond substrates with controlled NV center densities and layer thicknesses from the micrometer down to the nanometer scale, which is critical for optimal sensor performance. One example is displayed in Figure 1 showcasing the Secondary ion mass spectrometry (SIMS) profile profile of an isotopically con- trolled NV-doped diamond layer grown with a layer thickness of 80 micrometers (blue line, showing incorporation of 15N). Additionally, Fraunhofer IAF is further developing a wide-field magnetometer for detecting defects in semiconductor circuits: a tool that enhances the efficiency of quality con trol and failure analysis in microelectronics. This microscope utilizes NV- based quantum sensing to achieve high-resolution imaging of electronic components, detecting defects that are invisible to conventional methods. By integrating NV centers with advanc- ed optical detection techniques, the system offers a non-inva- sive, highly sensitive approach to defect characterization, ) . u . a ( n o i t a r t n e c n o C N - 5 1 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 Depth (nm) 92 ) % ( n o i t a r t n e c n o C C - 3 1 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Abb. 1: SIMS-Profile von flachen, mit Stickstoff dotierten Dünn- schichten. Die dotierten Schichten sind an der Zunahme der Stickstoffkonzentration (blau) und dem Abfall der 13C-Isotopen- konzentration (schwarz) erkennbar. Durch die diskrete Schich- tung von Dünnschichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften werden Diamanten für spezifische Quantensensorikanwendun- gen hergestellt. Fig. 1: SIMS profiles of shallow, nitrogen doped thin films. The doped layers are visible from the increase in nitrogen concentra- tion (blue) and the dip in the 13C isotope concentration (black). Discrete layering of thin films with tailored properties is done to create diamonds for specific quantum sensing applications.

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Fusionsenergie: Energiequelle der Zukunft Fusion Energy: the Energy Source of the Future Die Kernfusion birgt grundsätzlich ein enormes Potenzial, um Energiebedarfs- probleme weltweit ab den 2040er Jahren zu lösen. Um den Weg zu Deutschlands erstem Fusionskraftwerk zu ebnen, startete die Bundesregierung 2024 das Förder- programm Fusion 2040 mit einem Gesamtvolumen von mehr als einer Milliarde Euro. In diesem Rahmen fiel im Dezember 2024 auch der Startschuss zum IFE Targetry HUB, der Targets als Basistechnologien für die laserbasierte Trägheits- fusion erforscht. Das Fraunhofer IAF leitet gemeinsam mit der Focused Energy GmbH das Verbundprojekt, bestehend aus 15 Partnern aus Forschung und Industrie. Nuclear fusion has the potential to solve the world’s energy needs starting in the 2040s. To pave the way for Germany’s first fusion power plant, the federal government launched the Fusion 2040 funding program in 2024 with a total volume of more than one billion euros. In December 2024, the IFE Targetry HUB was launched as part of this program, researching targets as basic technologies for laser-based inertial confinement fusion. Fraunhofer IAF is leading the joint project together with Focused Energy GmbH, which consists of 15 partners from research and industry. Blick in die Targetkammer der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Labo- ratory, wo 2022 ein bahnbrechender Meilenstein gelang: Das Konzept der Kernfusion als potenzielle Energiequelle wurde erfolgreich demonstriert. View into the target chamber of the National Ignition Facility of the Lawrence Livermore National Labor, where a groundbreaking milestone was reached in 2022: the concept of nuclear fusion as a potential energy source was successfully demonstrated. 94

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Nachdem das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) erstmals eine erfolgreiche Kernfusion als potenzielle Energie- quelle demonstrierte, ist weltweit das Interesse an der Techno- logie rasant gestiegen. Kernfusion bietet enorme Vorteile: Aus einem Kilogramm Fusionsbrennstoff lässt sich ungefähr so viel Energie gewinnen wie aus 55.000 Barrel Diesel oder 18.630 Tonnen Braunkohle. Dabei wäre der produzierte Strom CO2-neutral. Bis die Kernfusion jedoch als nachhaltige Energie- quelle genutzt werden und einen Mehrwert für die Gesell- schaft bieten kann, sind unter anderem Fortschritte bei der Entwicklung von Target-Technologien notwendig. Since Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) first demonstrated successful nuclear fusion as a potential energy source, interest in the technology has grown rapidly world- wide. Nuclear fusion offers enormous advantages: about as much energy can be obtained from one kilogram of fusion fuel as from 55,000 barrels of diesel or 18,630 tons of brown coal. The electricity produced would be CO2 neutral. However, before nuclear fusion can be used as a sustainable energy source and provide added value to society, advances in the development of target technologies, among others, are needed. Mit dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit über 2,5 Millionen Euro geförderten Projekt »Inertial Fusion Energy (IFE) Targetry HUB für die DT-Trägheits- fusion« (IFE Targetry HUB) wird in Deutschland ein wichtiger Grundstein für die Erforschung der laserbasierten Trägheits- fusion gelegt. Im IFE Targetry HUB bringen 15 Verbundpartner ihre unterschiedlichen Expertisen aus der Grundlagenfor- schung, der angewandten Forschung sowie der Industrie ein, um gemeinsam geeignete Materialien und Prozesse für die funktionale und kosteneffizient skalierbare Fertigung sowie Charakterisierung von sogenannten Targets für die laserbasier- te Trägheitsfusion zu erforschen. Diese Targets bilden einen Flaschenhals für die Umsetzung der Kernfusion und sind somit eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zum laser basierten Fusionskraftwerk der Zukunft. The Inertial Fusion Energy Targetry HUB for DT Inertial Fusion (IFE Targetry HUB), which is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with over 2.5 million euros, is laying an important foundation for research into laser- based inertial fusion in Germany. In the IFE Targetry HUB, 15 partners are contributing their different expertise from basic and applied research and industry to jointly research suitable materials and processes for the functional and cost-efficiently scalable production and characterization of targets for laser- based inertial confinement fusion. These targets are a bottle- neck for the realization of nuclear fusion and are therefore a key technology on the way to a laser-based fusion power plant of the future. Laser Target Lithium Heat exchange Tritium fuel cycle 96 Funktionsprinzip eines Laserfusionskraftwerks Function principle of a laser fusion power plant Turbine

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Das Fraunhofer IAF arbeitete seit dem Ende der 1990er Jahre an der Herstellung von sphärischem Diamant, der die Grund- lage für die heutige Target-Entwicklung bildet. Diamond Materials, eine Ausgründung des Fraunhofer IAF, hat den komplexen Herstellungsprozess optimiert. Ihre sphärischen Dia- mant-Targets mit einem Durchmesser von lediglich 1 bis 3 mm kamen 2022 bei dem Experiment am LLNL zum Einsatz. Fraunhofer IAF has been working on the production of spherical diamond that forms the basis of today’s target development since the late 1990s. This complex manufacturing process was optimized by Diamond Materials, a Fraunhofer IAF spin-off. Their spherical diamond targets with a diameter of only 1 to 3 mm were used 2022 in the experiment at LLNL. Neben der Expertise im Diamantwachstum bringt das Fraunhofer IAF sein Know-how und seine Infrastruktur im Bereich der Mikrostrukturtechnologien in Hinblick auf Ober- flächenbehandlungen der sphärischen Targets sowie der Materialcharakterisierung in den IFE Targetry HUB ein. Ziel des Fraunhofer IAF ist es, den Wissenstransfer im Verbund zu gewährleisten und die Eignung der von den Verbundpart- nern gefertigten Targets für die Trägheitsfusion zu testen und zu bewerten. Hierzu werden in experimentellen Versuchen Targets verschossen, um die Bedingungen der Trägheitsfusion zu simulieren. Damit die Kernfusion gelingt, ist die Target-Geometrie, Grenz- flächenbeschaffenheit und Reinheit, sprich die Materialqualität, von entscheidender Bedeutung. Im IFE Targetry HUB entwi- ckeln und implementieren die 15 Partner daher gemeinsam neue Materialien und Prozesse zur hochgenauen Produktion, beispielsweise zur additiven Fertigung von Schäumen bezie- hungsweise Plasma-Beschichtung und Charakterisierung von Target-Komponenten. Die Forschung zielt auf eine hoch ska- lierbare Target-Produktion ab, die die hohen Anforderungen der laserbasierten Trägheitsfusion erfüllt und die Entwicklung eines Kraftwerks perspektivisch ermöglicht. In addition to its expertise in diamond growth, Fraunhofer IAF contributes its know-how and infrastructure in the field of microstructure technologies with regard to surface treatments of spherical targets and material characterization to the IFE Targetry HUB. The goal of Fraunhofer IAF is to ensure knowledge transfer within the network and to test and evaluate the suitability of the targets manufactured by the network partners for inertial confinement fusion. To this end, targets are fired in experimental tests to simulate the conditi- ons of inertial confinement fusion. The target geometry, interface properties and purity, meaning the material quality, are of crucial importance for the success of the nuclear fusion. In the IFE Targetry HUB, the 15 partners are therefore jointly developing and implementing new mate- rials and processes for high-precision manufacturing, working on, for example, additive manufacturing of foams or plasma coating and improving characterization of target components. The research aims at a highly scalable target production that meets the high requirements of successful laser-based inertial confinement fusion and that perspectively enables the development of a power plant. Das Ziel des BMBF ist es, möglichst schnell und zielführend die Voraussetzungen für den Bau und Betrieb von Fusionskraftwerken zu schaffen. Dabei werden technologieoffen beide Ansätze verfolgt – sowohl die Trägheitsfusion als auch die Fusion mittels magnetischen Einschlusses. The BMBF aims at laying the foundations for building and operating fusion power plants as soon as possible. In this, both approaches are being pursued: inertial confinement fusion as well as magnetic confinement fusion. 98

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Höhepunkte 2024 Highlights 2024 Wir sind stolz auf die Auszeichnungen und Rekorde, die Forschende des Fraunhofer IAF vergangenes Jahr erzielt haben. Sie gehören zu unseren Höhenpunkten des Jahres 2024 ebenso wie die kontaktreichen Messebesuche mit fruchtbarem Austausch. We are proud of the awards and records that researcher at Fraunhofer IAF achieved last year. They are among the highlights of 2024, as are the many fruitful exchanges we had during our busy visits to trade fairs. 100

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Highlight-Veranstaltungen 2024 Highlight Events 2024 »Tatort Physik« der DPG am Fraunhofer IAF DPG’s “Tatort Physik” at Fraunhofer IAF 18 . Januar 2024 14 Bachelorstudierende besuchten das Fraunhofer IAF und erhielten Einblick in die praktische Forschungsarbeit am Institut. Der Besuch fand im Rahmen der Veranstaltungsreihe »Tatort Physik« statt – ein Format des Arbeitskreises junge DPG (Deut- sche Physikalische Gesellschaft) der Regionalgruppe Freiburg, bei der Studierende verschiedene Forschungsinstitute und Orte besuchen, an denen Physikerinnen und Physiker am Werk sind. January 18, 2024 14 bachelor students visited Fraunhofer IAF and gained insights into the practical research work at the institute. The visit took place as part of the event series “Tatort Physik” — a format of the Freiburg regional group of the Young DPG (German Physical Society), in which students visit various research institutes and places where physicists are at work. 102

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 QBN-Austausch über »Quantum Sensing & Imaging« QBN exchange on Quantum Sensing & Imaging 11 . Juni 2024 Am 11. Juni begrüßte das Fraunhofer IAF Mitglieder des Quan- tum Business Network (QBN) zum Austausch und Netzwerken unter dem Motto »Quantum Sensing & Imaging«. Zahlreiche Beiträge boten Einblicke in die aktuellsten Entwicklungen in der Quantensensorik und Quantenbildgebung. Fachleute und Ver- tretende von Start-Ups, Unternehmen und Forschungseinrich- tungen nutzten die Gelegenheit, um neue Ansätze und Anwen- dungen sowie die Labore des Fraunhofer IAF kennenzulernen. June 11, 2024 On June 11, Fraunhofer IAF welcomed members of the Quantum Business Network (QBN) to exchange ideas and network under the slogan of Quantum Sensing & Imaging. Various contributi- ons offered insights into the latest developments in the field of quantum sensing and quantum imaging. Experts and represen- tatives of start-ups, companies and research institutions took the opportunity to get to know new approaches and applications as well as the laboratories of Fraunhofer IAF. Die Quantensensorik-Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IAF hat Dr. Philipp D’Astolfo, Wissenschaftler im Bereich Quanten- magnetometrie, in seinem Vortrag vorgestellt In his talk, Dr. Philipp D’Astolfo, scientist in the field of quantum magnetometry, presented the quantum sensing research activities of Fraunhofer IAF European Microwave Week in Paris European Microwave Week in Paris 22 . – 27 . September 2024 Auf der European Microwave Week (EuMW) 2024 präsentierte das Fraunhofer IAF Ausstellungsexemplare der im Radiometer des Arctic Weather Satellite verbauten rauscharmen Verstärker- Module ebenso wie weitere Hochfrequenzelektronik aus den Anwendungsbereichen Satellitenkommunikation, Mobilfunk oder Tieftemperatur-Messtechnik. Am Konferenzprogramm nahmen außerdem die Forscher Dr. Laurenz John, Dr. Philipp Neininger und Dr. Axel Tessmann teil. Am 25. September konnten Studierende und Berufseinsteigende aus dem Fachbe- reich Mikrowellentechnologie das Fraunhofer IAF zudem beim Young Professionals’ Career Event kennenlernen. September 22–27, 2024 At European Microwave Week (EuMW) 2024, Fraunhofer IAF presented exhibits of the low-noise amplifier modules in- stalled in the Arctic Weather Satellite radiometer as well as other high-frequency electronics from the application areas of satellite communications, mobile communications or low-tem- perature measurement technology. Also, researchers Dr. Lau- renz John, Dr. Philipp Neininger and Dr. Axel Tessmann partici- pated in the conference program. Furthermore, students and young professionals from the field of microwave technology could get to know Fraunhofer IAF at the Young Professionals’ Career Event on September 25. 104

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Pionierforschung am Fraunhofer IAF 2024 Pioneering Research at Fraunhofer IAF 2024 Mit Halbleiter-Scheibenlasern zum Quanteninternet Eine Hürde auf dem Weg zum abhörsicheren Quanteninter- net bilden die Differenzen zwischen dem Glaserfaserstandard von 1550 nm und den Systemwellenlängen der verschiedenen, bisher realisierten Quantenbits (Qubits), die meist im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich liegen. Ein Lösungsansatz ist die sogenannte Quantenfrequenzkonversion, bei der die Frequenzen von Photonen gezielt verändert werden und dabei alle anderen Quanteneigenschaften erhalten bleiben. Dadurch wird eine Umwandlung in den 1550-nm-Telekombereich für die verlustarme, langreichweitige Übertragung der Quanten- zustände möglich. Die am Fraunhofer IAF im Projekt HiFi entwickelten Scheiben- laser erfüllen die hohen Anforderungen der Quantenfrequenz- konversion, da ihre Schmalbandigkeit und Wellenlängen- stabilität Fluktuationen der Pumpwellenlänge und folglich Veränderungen der Zielwellenlänge der Qubits verhindern. Dabei decken sie je nach verwendeter Ausgangswellenlänge der Qubits gezielt eine Wellenlänge zwischen 1,9 und 2,5 µm ab und erreichen bei einer Stabilität der absoluten Wellenlänge von unter 2 fm bis zu 2,4 W Ausgangsleistung. Das entspricht einer Frequenzstabilität von unter 100 kHz und unterschreitet klar die Frequenzstabilitätsklasse 1E-9. Dieses Ergebnis stellt einen internationalen Bestwert für diese Laserart dar und einen Schritt in Richtung Quanteninternet. Towards a quantum internet with semiconductor disk lasers One hurdle on the way to a tap-proof quantum internet is the difference between the fiber optic standard of 1550 nm and the system wavelengths of the various quantum bits (qubits) that have been realized so far, which are mostly in the visible or near-infrared spectral range. One approach is so-called quantum frequency conversion, in which the frequencies of photons are deliberately changed while all other quantum properties are preserved. This makes it possible to convert the quantum states into the 1550 nm telecom range for low-loss, long-range transmission. The disk lasers developed at Fraunhofer IAF in project HiFi meet the high requirements for quantum frequency conver- sion. Their narrow bandwidth and wavelength stability prevent fluctuations in the pump wavelength and thus changes in the target wavelength of the qubits. Depending on the output wavelength of the qubits used, they cover a wavelength bet- ween 1.9 and 2.5 µm and achieve an output power of up to 2.4 W with an absolute wavelength stability of less than 2 fm. This corresponds to a frequency stability of less than 100 kHz and clearly exceeds the frequency stability class of 1E-9. This result represents a world record for this type of laser and a step towards a quantum internet. Scheibenlaser-Aufbau zur Entwicklung einer rausch- armen Pumpquelle für die Quantenfrequenzkonversion Disk laser setup for the development of a low- noise pump source for quan- tum frequency conversion 106

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 NV-Diamant-Lasersystem mit zwei Medien erstmals erfolgreich demonstriert Am Fraunhofer IAF wird an dem weltweit neuartigen Ansatz der Laserschwellen-Magnetometrie zur präzisen Magnetfeld- messung geforscht. 2024 haben die Forschenden Diamant mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) zusammen mit einem zweiten Lasermedium, einer Laserdiode zur zusätzlichen Lichtverstärkung, in einem optischen Resonator kombiniert. So haben sie es geschafft, die Laserschwelle erstmals zu demons- trieren: Je nachdem, wie stark die NV-Zentren angeregt wurden, ging das Lasersystem an oder aus. NV diamond laser system with two media successfully demonstrated for the first time At Fraunhofer IAF, research is being conducted into the novel approach of laser threshold magnetometry for precise mag- netic field measurement. In 2024, the researchers combined diamond comprising nitrogen-vacancy centers (NV centers) with a second laser medium, a laser diode for additional light amplification, in an optical resonator. This way, they managed to demonstrate the laser threshold for the first time: depen- ding on how strongly the NV centers were excited, the laser system turned on or off. Die Ergebnisse stellen einen Durchbruch für die Entwicklung der Laserschwellen-Magnetometrie dar. Auf dieser Basis können in Zukunft Sensoren mit bis zu 100 Prozent Kontrast, starken Lichtsignalen und einem weiten Bereich von messbaren Magnetfeldstärken realisiert werden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances unter dem Titel »Dual-media laser system: nitrogen vacancy diamond and red semiconductor laser« veröffentlicht. The results represent a breakthrough for the development of laser threshold magnetometry. In the future, sensors with up to 100 percent contrast, strong light signals and a wide range of measurable magnetic field strengths can be realized based on the approach demonstrated at Fraunhofer IAF. The research results were published in the journal Science Advances under the title “Dual-media laser system: nitrogen vacancy diamond and red semiconductor laser”. Am Fraunhofer IAF wurde erstmals die NV-Diamant-Laser- schwelle demonstriert The NV-diamond laser threshold was demonstrated for the first time at Fraunhofer IAF Video ansehen: Watch video: 108 108

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Auszeichnungen 2024 Awards 2024 Stefan Mönch et al . – IEEE JESTPE First Place Prize Paper Award Das IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (JESTPE) hat Jun.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Mönch vom Fraunhofer IAF und seine Co-Autorenschaft der Fraunhofer- Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF, für Physikali- sche Messtechnik IPM und für Keramische Technologien und Systeme IKTS mit dem First Place Price Paper Award 2023 ausgezeichnet. Prämiert wurden die Forschenden für ihr Paper »A 99.74 % Efficient Capacitor-Charging Converter Using Partial Power Processing for Electrocalorics«. Die Arbeit zeigt Ergebnisse aus dem Projekt ElKaWe und trägt dazu bei, künfti- ge Festkörper-Wärmepumpen zu realisieren, die hocheffizient und klimafreundlich sind und weder Kältemittel noch einen Kompressor benötigen. The IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (JESTPE) has honored Jun.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Mönch from Fraunhofer IAF and his co-authors from the Fraunhofer Institutes for Applied Solid State Physics IAF, for Physical Measurement Techniques IPM and for Ceramic Technologies and Systems IKTS with the First Place Paper Award 2023. The researchers were awarded the prize for their paper »A 99.74 % Efficient Capacitor-Charging Converter Using Partial Power Processing for Electrocalorics.« The work presents results from the ElKaWe project and contributes to the realization of future solid-state heat pumps that are highly efficient and climate-friendly and do not require refrigerants or compressors. . Jun .-Prof . Dr .-Ing . Stefan Mönch Publikation Publication Stefan Mönch, Richard Reiner, Kareem Mansour, Patrick Waltereit, Michael Basler, Rüdiger Quay, Christian Molin, Sylvia Gebhardt, David Bach, Roland Binninger, Kilian Bartholomé: »A 99.74 % Efficient Capacitor-Charging Converter using Partial Power Processing for Electrocalorics«, in: IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 11/4, pp. 4491 – 4507, doi: 10.1109/ JESTPE.2023.3270375. 110

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Wissenswertes Things to know Wir geben einen Überblick über die jüngsten Entwicklungen am mit Informationen über die Finanzen, Lehrveranstaltungen, Netzwerke sowie Patente des Fraunhofer IAF. We provide an overview of the latest developments at Fraunhofer IAF, including information on finances, teaching, networks and patents. 112

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Das Institut in Zahlen The Institute in Figures Das Fraunhofer IAF steigerte den Betriebshaushalt 2024 gegenüber dem Vorjahr um 4,4 Mio. € auf ein Allzeithoch von 41,3 Mio. €. Die Sachaufwendungen in Höhe von insgesamt 17,6 Mio. € erfuhren einen unterdurchschnittlichen Aufwuchs aufgrund von allgemeinen Kostensteigerungen im Markt. Der Personalaufwand liegt mit 23,7 Mio. € circa 15 % über dem Vorjahreswert und steigt somit prozentual stärker als der Haus- halt des Instituts. Dieser Anstieg ist vor allem auf den durch die Auftragslage bedingten Aufbau an Mitarbeitenden zurückzu- führen. Im Verlauf des Jahres 2024 konnten zudem die offenen Stellen aus dem Vorjahr erfolgreich besetzt werden. Das Inves- titionsvolumen lag im Jahr 2024 mit 14,6 Mio. € deutlich höher als im Vorjahr. Viele aus Vorjahren offene Investitionen konnten 2024 realisiert werden und sichern fundamental die Zukunfts- fähigkeit des Instituts. Ein großer Teil des Gesamthaushalts wurde 2024 vom Bundes- ministerium der Verteidigung (BMVg) mit einem Anteil von 41,4 % finanziert. Im zivilen Kontext konnten vor allem europa- weite Projekte überdurchschnittlich gesteigert werden. Auch die Industrieerträge stiegen 2024 überproportional auf 8,4 Mio. €. Die Zahl der Vollzeitäquivalent-Beschäftigten lag 2024 bei 250. In absoluten Zahlen arbeiteten zum Jahresende 326 Beschäftig- te am Fraunhofer IAF, davon waren circa 33 % weiblich. 74 % aller Vollzeitäquivalente arbeiteten in wissenschaftlichen Abtei- lungen, 15% waren in den Infrastrukturbereichen und 11 % in den nicht-wissenschaftlichen Fachabteilungen beschäftigt. Für das Jahr 2025 erwartet das Fraunhofer IAF einen nur noch leicht steigenden Gesamthaushalt trotz wirtschaftlich und poli- tisch angespannter Lage. Haupttreiber des antizipierten Wachs- tums sind unterjährige Personaleinstellungen im Jahr 2024 und bereits 2024 gestartete, aber erst 2025 realisierte Investitionen. In 2024, Fraunhofer IAF increased its operating budget by € 4.4 million to an all-time high of €41.3 million. At €17.6 mil- lion, non-personnel costs increased at a below-average rate due to general cost increases in the market. At € 23.7 million, personnel costs are approximately 15 % higher than in the previous year and thus increased at a higher percentage rate than the institute’s budget. This increase is mainly due to the expansion of the workforce in response to the strong demand for our services. In the course of 2024, the vacancies from the previous year were also successfully filled. At €14.6 million, the investment volume in 2024 was significantly higher than in the previous year. Many investments that had been pending from previous years were realized in 2024, fundamentally securing the institute’s future viability. The Federal Ministry of Defense (BMVg) provided a large share of the total budget in 2024, with 41.4 %. In the civil context, above-average increases were achieved in particular in Europe- wide projects. Industrial revenues also rose disproportionately in 2024 to € 8.4 million. The number of full-time equivalent employees was 250 in 2024. In absolute numbers, 319 employees worked at Fraun- hofer IAF at the end of the year, of which about 33 % were female. 74 % of all full-time equivalents worked in scientific departments, 15 % were employed in infrastructure areas and 11 % work as non-scientific staff in specialist departments. For 2025, Fraunhofer IAF expects only a slight increase in its total budget despite the tense economic and political situa- tion. The main drivers of the anticipated growth are new hires during 2024 and investments that were started in 2024 but not realized until 2025. . 114

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Organisationsstruktur Organizational Structure Die Organisationsstruktur des Fraunhofer IAF gliedert sich neben der Stabsstelle »Marketing und Kommunikation« in vier Geschäftsbereiche. In den Geschäftsfeldern bildet das Institut marktrelevante Forschungsbereiche ab. Die Forschenden des Instituts gruppieren sich in den Abteilungen und die Bereiche Verwaltung sowie Forschungsinfrastruktur umfassen die für den Betrieb des Instituts notwendigen Strukturen. The organizational structure of the Institute is divided into four business units in addition to a marketing unit. In its Business Units, the institute represents market-relevant research areas. The researchers of the institute are grouped in Departments and the divisions Administration and Research Infrastructu- re include the structures necessary for the operation of the institute. Kontakt / Contact Sie erreichen uns per E-Mail unter Vorname.Nachname@iaf.fraunhofer.de Contact us via e-mail at first name.surname@iaf.fraunhofer.de 116 Institutsleitung Institute Management Geschäftsfelder Business Units Dr . Patricie Merkert Prof . Dr . Rüdiger Quay Bereichsleitungen Division Directors Dr . Michael Mikulla Geschäftsfelder Business Units Dr . Jutta Kühn Abteilungen Departments Dr . Fabian Thome (kommissarisch / acting) Hochfrequenzelektronik High-Frequency Electronics Dr . Philipp Neininger (kommissarisch / acting) Leistungselektronik Power Electronics Dr . Robert Rehm Optoelektronik Optoelectronics Dr . Martin Walther Forschungsinfrastruktur Research Infrastructure Dr . Michael Stoebe Quantenbaulemente Quantum Components Dr . Daniel Auer Verwaltung Administration Dr . Florentin Reiter Quantensysteme Quantum Systems Von links nach rechts (from left to right) Dr. Patricie Merkert, Prof. Dr. Rüdiger Quay, Dr. Michael Mikulla, Dr. Jutta Kühn, Dr. Martin Walther, Dr. Daniel Auer

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 In Memoriam 2024 und 2025 mussten wir uns von vier sehr geschätzten Kollegen verabschie- den, deren Karrieren unser Institut nachhaltig geprägt haben. Wir behalten sie als Wissenschaftler, Kollegen und Menschen in ehrender Erinnerung. In 2024, we had to bid farewell to four highly esteemed colleagues whose careers have a lasting impact on our institute. We will always honor their memory as scientists, colleagues and individuals. Prof . Dr . Hans-Joachim Wagner *9.8.1953 † 21.2.2025 Prof. Dr. Joachim Wagner hat das Fraunhofer IAF 33 Jahre lang in entscheidenden Positionen stark geprägt und verkörperte als Vermittler zwischen wissenschaftlicher Exzellenz, akademischer Lehre und Technologietransfer vorbildlich die Aufgabe der Fraunhofer-Gesellschaft. Prof. Dr. Joachim Wagner has strongly influenced the Fraun- hofer IAF for 33 years in crucial positions and, as a mediator between scientific excellence, academic teaching and tech- nology transfer, he exemplarily embodied the mission of the Fraunhofer-Gesellschaft. Joachim Wagner begann 1985 als Wissenschaftler in der Abtei- lung Infrarot-Bauelemente am Fraunhofer IAF, leitete von 1996 bis 2015 die Abteilung Optoelektronik und wurde 2006 stell- vertretender Institutsleiter. Zwischen 2016 und 2018 führte er den Bereich Geschäftsfelder und Kooperationen, 2017 leitete er kommissarisch das Institut. 2018 erhielt er den Fraunhofer- Taler für seine Verdienste um die Fraunhofer-Gesellschaft. Im selben Jahr wechselte Joachim Wagner an das Fraunhofer IPMS in Dresden und koordinierte bis 2022 das Leistungszentrum Funktionsintegration für die Mikro-/Nanoelektronik. Joachim Wagner began his career at Fraunhofer IAF in 1985 as a scientist in the Department Infrared Devices. From 1996 to 2015, he was head of the Department Optoelectronics and became Deputy Director of the institute in 2006. Between 2016 and 2018, he headed the Business Units and Coopera- tions Division, and in 2017 he served as interim Director of the institute. In 2018, he received the Fraunhofer Taler for his ser- vices to the Fraunhofer-Gesellschaft. In the same year, Joachim Wagner moved to the Fraunhofer IPMS in Dresden, where he coordinated the High Performance Center Functional Integra- tion for Micro- and Nanoelectronics until 2022. 118

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Ausbildung und Lehre Education and Teaching Mehrere Forschende des Fraunhofer IAF waren 2024 in der Lehre tätig. Several Scientists of Fraunhofer IAF were active in teaching in 2024. Universität Freiburg »RF and Microwave Circuits and Systems – Vorlesung« »RF and Microwave System Design Course – Praktikum« »RF and Microwave Devices and Circuits – Vorlesung« »Sustainable Systems Engineering – Studienseminar « »Energy Efficient Power Electronics – Vorlesung mit O. Ambacher« »Energy Efficient Power Electronics – Übung mit O. Ambacher« »Schaltungtechnik / Circuit Technology – Vorlesung« Prof. Dr. Rüdiger Quay Lehrdebutat SWS | Teaching hours per week: 4 Ausgeübte Lehrtätigkeit | Actual teaching hours: 14 »Optoelektronische Quantenbauelemente« Dr. Martin Walther Lehrdebutat SWS I Teaching hours per week: 2 »Quantencomputer / Quantum Computing Vorlesung« »Quantencomputer / Quantum Computing Übung« Dr. Thomas Wellens Lehrdebutat SWS I Teaching hours per week: 2 »RF- and Microwave Devices and Circuits« Dr.-Ing. Bersant Gashi Lehrdebutat SWS I Teaching hours per week: 2 Duale Hochschule Baden-Württemberg Lörrach »Leistungselektronik« Dr. Michael Basler Lehrdebutat SWS I Teaching hours per week: 2 Universität Stuttgart »Elektromechanische Grundlagen der Medizintechnik – Elektrotechnik« »Einführung in die Elektrotechnik« Jun.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Mönch Lehrdebutat SWS I Teaching hours per week: 4 120

Fraunhofer IAF 2024 / 2025 Impressum Publication Details Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF Tullastrasse 72 79108 Freiburg, Germany Tel. +49 761 5159-0 info@iaf.fraunhofer.de www.iaf.fraunhofer.de Institutsleitung Institute Management Dr. Patricie Merkert Prof. Dr. Rüdiger Quay Marketing und Kommunikation Marketing and Communications Lukas Kübler Tel. +49 761 5159-261 lukas.kuebler@iaf.fraunhofer.de Redaktion Editorial Board Dr. Violetta Budak, Jennifer Funk, Stefanie Griesser, Lukas Kübler, Dr. Armin Müller, Moritz Ringwald Konzept, Layout, Satz, Druck Design, layout, typesetting, printing netsyn, Joachim Würger, Fraunhofer IAF, Fraunhofer-Druckerei Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck nur mit Genehmigung der Institutsleitung. All rights reserved. Reproduction requires the permission of the Institute Management. © Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Freiburg 2025 122 Bildnachweise Picture credits © chakawut – stock.adobe.com | Fraunhofer IAF, Title; © Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik, 9; © Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik, 15; © Bernhard Wolf, loewn, 16; © MNStudio – stock.adobe.com | Fraunhofer IAF, 22; © Rohde & Schwarz, 46; © University of Cantabria, 47; © Infineon Technologies AG, 48 (top); © University of Extremadura, 48 (bottom); © Universität Stuttgart, 49; © Technology Innovation Institute, Abu Dhabi, 50 (top); © DILAS Diodenlaser, 51 (top); © Nokia / Bell Labs, 51 (bottom); © ESA/Mlabspace, 64 – 65; © DIAS Infrared GmbH, 75; © National Ignition Facility/LLNL, 94 – 95; © Ludmilla Parsyak | QuantumBW, 105 (top); All others © Fraunhofer IAF, Dr. Violetta Budak, Moritz Ringwald