Elektrotechnik und Informationstechnik

Applaus für die Preisträger: RWTH-Rektor Professor Ulrich Rüdiger, Ministerin Ina Brandes, Oberbürgermeister Dr. Michael Ziemons, Sebastian Schall, Dr. Daniel Schall, Professor Max Lemme und vdi-Präsident Professor Lutz Eckstein (v.l.) © Andreas Herrmann

Für ihre Forschungsarbeit an der integrierten Graphen-Photonik und den Aufbau ihres Start-ups Black Semiconductor wurden Daniel und Sebastian Schall mit dem diesjährigen Aachener Ingenieurpreis ausgezeichnet. Die Geschichte der beiden Brüder zeigt, wie eng Wissenschaft und Unternehmertum in Aachen miteinander verbunden sind.

Der historische Krönungssaal des Aachener Rathauses verwandelte sich am 5. September 2026 in eine Bühne für die Zukunft der globalen Mikroelektronik. Zum zwölften Mal wurde der renommierte Aachener Ingenieurpreis verliehen – doch dieses Mal mit einem Novum: Erstmals ging die Auszeichnung an ein Duo. Daniel und Sebastian Schall, Gründer des Start-ups Black Semiconductor, nahmen den Preis gemeinsam entgegen und machten zugleich eindrucksvoll deutlich, dass technologische Quantensprünge immer zwei unterschiedliche Seiten einer Medaille erfordern: Während ein Bruder, Dr. Daniel Schall, als wissenschaftlicher Vordenker den technologischen Erfindergeist verkörpert, bringt der andere Bruder, Sebastian Schall, als kaufmännischer Stratege die nötige Tatkraft ein, um aus einer komplexen Labor-Idee ein skalierbares Unternehmen zu formen.

Was ihre Aufgabenbereiche nicht über das Preisträger-Team verraten, bringt Laudator Professor Max Lemme, Leiter des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH Aachen und Geschäftsführer der AMO GmbH, auf den Punkt:

„Sie sind geerdet, ihnen ist nicht der Radar dafür abhanden gekommen, was uns Menschen ausmacht.“ 

Aus diesem stabilen Fundament heraus richten sie ihren Blick nach vorne und entwickeln Lösungen für Probleme, an denen bewährte Systeme scheitern: Während die Anforderungen durch datenintensive Softwarearchitekturen und KI-Modelle kontinuierlich steigen, nähert sich die Skalierung konventioneller Halbleiterhardware ihren physikalischen Grenzen. Nach dem Motto „More than Moore“ setzen die Schall-Brüder auf einen Paradigmenwechsel in der Halbleiterindustrie, der diesen technologischen Engpass zu überwinden sucht: von der bloßen geometrischen Verkleinerung hin zu einer funktionalen Diversifizierung. Anstatt die Leistungssteigerung ausschließlich über die Dichte der Schaltkreise zu erzwingen, werden neue Technologien und komplementäre Materialien direkt in den Chip integriert.

Als Schlüsseltechnologie ist die integrierte Photonik bereits heute Realität. Der Prozessor rechnet dabei wie gewohnt elektrisch. Die Datenübertragung erfolgt allerdings per Laser über integrierte, optische Wellenleiter in Lichtgeschwindigkeit. Diese Architektur eliminiert den elektrischen Widerstand auf den Kommunikationspfaden vollständig. Während bei der aktuellen „Insel-Lösung“ die Daten vom elektrischen Hauptprozessor einige Bruchteile eines Millimeters als Strom zum photonischen Nachbarchip wandern müssen, um dort in Lichtsignale umgewandelt zu werden, wird diese „Brücke“ in einer 3D-Chiparchitektur vertikal durchlaufen: Hierbei wird der Raum mithilfe modernster Verpackungsverfahren dreidimensional genutzt, um die Wege zwischen elektrischen Rechenchips und photonischen Bauelementen maximal zu verkürzen.

Die direkte, optische Signalumwandlung auf Chip-Level ist nun Black Semiconductor gelungen. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei das zweidimensionale Kohlenstoffgitter Graphen ein. Das Material gilt wegen seiner spezifischen, physikalischen Extremwerte als Schlüsselkomponente für künftige Halbleiterarchitekturen. Aufgrund der einlagigen, hexagonalen Atomstruktur bewegen sich Elektronen darin nahezu ohne Widerstand, was Graphen eine extreme Ladungsträgerbeweglichkeit verleiht. Hinzu kommen eine hervorragende thermische Leitfähigkeit sowie eine breitbandige, optische Absorption. Doch in der Praxis scheiterte der großflächige Einsatz bisher an einer entscheidenden Hürde: Das atomar dünne Material ließ sich nicht fehlerfrei und reproduzierbar in industrielle Fertigungsprozesse integrieren.

Genau diesen verfahrenstechnischen Brückenschlag schafft das Aachener Start-up nun und ermöglicht so eine echte monolithische Integration der Photonik. Die Graphen-Strukturen werden direkt im regulären CMOS-Herstellungsprozess auf den bestehenden Wafer aufgebracht. Durch ihre Schnittstellenfunktion ermöglichen sie logische Rechenoperationen und Signalwandlung auf ein und demselben physischen Chip. Das erklärte Ziel des Start-ups ist es, Tausende von Halbleitern so zu koppeln, als wären sie ein einziges Bauteil.

Bei den bisherigen Lösungsansätzen der integrierten Photonik müssen die Datensignale die elektronische Logikebene verlassen und über physische, metallische Übergänge oder vertikale Mikrosäulen zum photonischen Chiplet wandern. Obwohl diese Strecken kurz sind, entstehen an den metallischen Grenzflächen signifikante Verluste. Diese fehleranfälligen Verbindungen sowie die Notwendigkeit nachträglicher mechanischer Montageverfahren bei der Herstellung entfallen künftig.

„Ihre Lösung ist nichts anderes als eine Revolution“, sagte Professor Max Lemme bei der Verleihung des Aachener Ingenieurpreises. „Halbleiter sind das Gehirn der KI, eine strategische Technologie und kein nice-to-have.“

Dass diese Entwicklung in Aachen und nicht im Silicon Valley initiiert wurde, verdeutlicht die enge Verknüpfung zwischen wissenschaftlicher Exzellenz und anwendungsorientiertem Unternehmertum im Umfeld der RWTH Aachen. Die technologische Basis für das Spin-off entstand in den Laboren der Forschungseinrichtung AMO GmbH, die eng mit unserer Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik verzahnt ist und von Professor Max Lemme geleitet wird. Während seiner Promotion fand Dr. Daniel Schall hier die spezialisierte Reinrauminfrastruktur und den wissenschaftlichen Freiraum, um die Grundlagen der integrierten Graphen-Photonik experimentell zu validieren. Das Aachener Ökosystem fungiert hierbei als gezielter Nährboden, in dem exzellente Grundlagenforschung und die Translation in marktfähige Unternehmensstrukturen Hand in Hand gehen:

„Wir hatten immer den Plan zu gründen, als wir genug über die Physik wie auch die Technologie wussten und davon ausgehen konnten, dass die offenen Probleme in einer Volumenfertigung mit besten Anlagen lösbar sein müssten, sind wir nur den entscheidenden Schritt aus dem Labor in die Produktion gegangen.“ 

Modulare Reinraumanlage innerhalb der neuen FabONE-Produktionshalle in Aachen-Rothe Erde © Heike Lachmann

Diese strategische Standortwahl ebnet den Weg für die ambitionierte Weiterentwicklung des Unternehmens: Mit Förderungen und Investitionen von über 254 Millionen Euro treibt das Start-up seine Expansion massiv voran. In der 15.000 Quadratmeter großen Produktionsstätte „FabONE” im Aachener Stadtteil Rothe Erde sind inzwischen rund 167 internationale Fachkräfte beschäftigt. Ihr klares Ziel ist es, die innovative Graphen-Chip-Fertigung aus dem Labor in die industrielle Massenproduktion zu überführen. Über den regionalen Erfolg hinaus besitzt dieses Vorhaben eine erhebliche geopolitische Relevanz. In einer Phase, in der globale Lieferketten für Halbleiter technologischen und politischen Interdependenzen unterliegen, sichert die Etablierung einer solchen Schlüsseltechnologie in Deutschland und damit in der Europäischen Union ein Stück technologischer Souveränität.

„Black Semiconductor stärkt den europäischen Halbleiterstandort durch seine enge Zusammenarbeit mit der Forschung und seine industrielle Ausrichtung nachhaltig. Das Unternehmen verkörpert somit in besonderer Weise innovationsgetriebene Ingenieurleistung, die strategische Bedeutung für Zukunftstechnologien hat“, erklärt der Rektor der RWTH, Professor Ulrich Rüdiger

Es ist genau diese Kombination aus ingenieurwissenschaftlicher Pionierarbeit und strategischer Tragweite, die die Grundlage für die Verleihung des Preises bildet. Der Aachener Ingenieurpreis, der seit 2014 gemeinsam von der RWTH Aachen und der Stadt Aachen vergeben wird, zeichnet Persönlichkeiten aus, die das Ingenieurwesen nachhaltig prägen. Die Preisskulptur „Kreuzende Ellipsen“ wird vom Verein Deutscher Ingenieure (VDI) als maßgeblichem Partner der Auszeichnung gestiftet. Mit dem Gewinn reihen sich die Brüder Schall in eine Riege namhafter Preisträger:innen wie die Nobelpreisträgerin Emmanuelle Charpentier oder der Technologie-Pionier Sebastian Thrun ein und setzen zugleich ein unübersehbares Signal für die Innovationskraft der Aachener Elektrotechnik.

Der Durchbruch der Graphen-Photonik in Aachen ist erst der Anfang einer weitaus größeren Entwicklung: Um strategische technologische Autonomie zu erlangen, investiert die Europäische Union auch in vielen weiteren Schlüsselbranchen in Graphen und andere zweidimensionale Materialien.