TECNOLOGIE FOTONICHE e NANOTECNOLOGIE (in SELEX Sistemi Integrati) Anna Maria Fiorello 4 Aprile 2012 Research&Tachnologies Dept. : Competences and Resources Competences : Development of Electronic and Photonic emerging Devices (GaN, THz,..) Photonics for Radar and Sensors Design of MMIC and RF assemblies RF (TRM, SSPA, ..) GaAs/GaN Foundry Microelectronics Risources: R&T (3) Photonics (21) RF assemblies(13) Microelectronics (20) GaAs Foundry (25) Employees 78 (~30% Graduated) GaAs/GaN Foundry Competences: R&D Emerging Technologies (GaN, mmW, MEMS, THz,..) RF Testing (on-wafer) and Modeling (FET) Development and ProductionMMIC Reliability of electronic components Risources: MMIC Production (14) R&D Emerging Tec.(6) RF Testing & Reliability (5) Employees 25 Clean Rooms: ~ 600m2 (Class 100/1000) Equipments: ~ 12 M€ Microelectronics & Photonics Competences: R&D Photonics and Emerging Technologies(Nanotechnology, MEMS, THz,..) Design and fabbrication of Integrated Optics Devices Design and Fabbrication of fiber optics sub-systems Development of Integration and Packaging Technologies Pre-Production of microelectronics modules Quantum Crittography MMIC and MW Sub-Systems Design Risources: Sviluppo e PreProduzione microelettronica (14) 1 14 Produzione film sottile (5) 20 R&S e tecnologie emergenti (15) Management (1) 5 Employes 40 Lab & Clean Rooms: ~ 1000m2 Equipments: ~ 8 M€ FOTONICA PHOTONCS: Technologies Capabilities Devices Thin Film Chips LiNbO3 Wafers Integrated Optics Devices Amplitude Modulators / Phase / frequency Switches and electro-optics switches matrixes AOTF (Acousto-Optics Tunable Filter Non linear PPLN Devices Packaging Photolitography Technologies Fiber interconnection Thin Film PHOTONICS TECHNOLOGIES: Integrated Optics Lithium Niobate Foundry – Wide BW (>30GHz) electroptic modulators – Acusto-Optic Tunable Filters – Fiber Optics Gyroscopes – Fiber Optics EM-Field Sensors – Optical swich matrixes – Design, manufacturing, pigtailing and packaging of customised devices Advanced architectures for Optical signal processing Optical Beam Forming Networks Photonic μ-wave generation and μ-wave mixing High sampling rate Photonic A/D converters Programmable Fiber Optic Delay Lines for Radar Calibration Digital & analog FO links LiNbO3:caratteristiche e proprietà Trasparente (0.4m-4m) Elettrootico: n E Piezoelettrico: E PACU Acustoottico: n PACU Ferroelettrico: polarizzazione spontanea a campo nullo Modulatore elettroottico in LinbO3 P OUT 1 sin( VRF / V ) P 2 IN Il segnale di tensione VRF modula la fase ottica nei due rami dell’interferometro Mach Zehnder La potenza ottica in uscita varia tra il massimo (interferenza costruttiva ) e il minimo di trasmissione (interferenza distruttiva ) Un segnale applicato ad un ingresso DC sposta lateralmente la curva di trasmissione per posizìionarla nel punto di massima linearità Modulatore elettroottico in LinbO3: risposta in frequenza La risposta in frequenza del modulatore è funzione di: Perdite RF della linea di trasmissione del sergnale elettrico Mismatch di velocità tra segnale ottico e segnale RF PROCESSO REALIZZATIVO Wafer di LiNbO3 Realizzazione guide ottiche Strato buffer Elettrodi film sottile Elettrodi film spesso (crescita elettrolitica guidata) End-Fire e taglio finale Guide TAPE (Thermal Annealed Proton Exchange) SCAMBIO PROTONICO Maschera SiO2 Scambio Protonico Impianto Sputtering Acido 200°C di benzoico a Annealing termico (~350°C) Forno per diffusioni Caratteristiche di una guida TAPE Conduce una sola polarizzazione (Filtro intrinseco TE) Alto danno fotorifrattivo (>100mW) Alta efficienza elettro-ottica Perdite di propagazione ~0.5dB/cm CH3COOH + LiNbO3 CH3COOLi + HNbO3 Guide per Diffusione di Titanio Titanium strip deposition Titanium diffusion Salto d’indice indotto su entrambe le polarizzazioni (TE e TM) Basse perdite di propagazione (<0.2dB/cm) Bassa soglia di danneggiamento fotorifrattivo (<10mW) PROCESSO ELETTRODI • Realizzazione elettrodi a film sottile (NiCr\Au) • • Spinning e cottura dell’SU-8 Illuminazione dal retro • Sviluppo • Crescita galvanica guidata e stripping SU-8 RISULTATI (FOTO SEM) Crescita elettrodi Per il funzionamento fino a 35 GHz si richiede: Matching tra l’indice di propagazione a radio-frequenza nRF(~4) e l’indice ottico nOPT(~2) Aumento dello spessore degli elettrodi: il segnale RF risente maggiormente dell’indice naria=1, dunque si riduce nRF Il progetto degli elettrodi richiede, per il matching elettro-ottico : Larghezza (elettrodo centrale) = 10-12 m Altezza 38 m tE WG W G tB Dopo i processi planari: taglio, end-fire e packaging Taglio del wafer con microsega K & S Incollaggio testimoni Lappatura angolata End-Fire: Planarizzazione (Pasta diam.+ghisa) Lucidatura (Syton + panno poliuretano) Interconnessione con fibra ottica Packaging Link in Fibra Ottica Link digitale Link analogico Il modulatore è pilotato dal segnale d’ingresso tra il massimo e il minimo di trasmissione Il modulatore è pilotato intorno al punto di massima linearità 0,1,1,0, …, 1,1,0 VRF(OUT) VRF(IN) La Fotonica nel RADAR: segnali digitali Distribuzione dati di controllo al TRM multichannel TR ottico Multichannel TRM ACC TR ottico Rete di Beam Forming Digitale TR ottico DSP Ricevitore TR ottico Esempio: Distribuzione del OL ai ricevitori in antenna STALO Tx ottico Rx ottico Ricevitore •18 La Fotonica nel RADAR: segnali analogici RF Vantaggi Sistemi WDM, amplificazione e Primo target 12 bit: 4096 posizioni commutazione ottica del target fino a 220km Allo stato dell’arte SNR =70dB/ MHz SecondoTarget per misure in cella radar SFDR=110dBc/Hz2/3 Risparmio sui FAT, SAT, tool per Applicazioni: test della cancellazione Tool di simulazione target velocità commutazione<1usec Rete di BFN ottico al livello di subarray •Modulatore Selex SI RFOUT Modulator Laser ( ) MEADS 1 MUX AMPLI AMPLI Riv. 2 Riv. 4 DMUX Laser ( 2) Riv. Delay Module Riv. t = 0.75 msec ( 150 km di fibra) 1 Modulator 1.501 msec 3 2 1 1.500 msec 0.751 msec 0.750 msec La Fotonica nel RADAR: segnali analogici Oscillatore Optoelettronico Vantaggi Generazione direttamente in RF (senza moltiplicazioni) Rumore di fase indipendente dalla frequenza (<-135dBc/Hz @ 10 KHz offset) Rumore di fase tanto minore quanto più è lunga la cavità Disponibile un output distribuzione in fibra ottico per Convertitore ADC fotonico Vantaggi Campionamento direttamente su portante RF (no down conversion) Ampia banda istantanea di ingresso (>40GHz) Scalabiltà del rate di campionamento a >16GSps aumentando la parllelizzazioone Alto ENOB (>12bit) grazie all’uso di treni di impulsio ottici campionanti ad alta stabilità (jitter rms <30fs) Segnale a 4400 MHz sottocampionato a 500 MSps (FFT) ENOB 5.5 Fotonica – Optical Device (FP7 SOFI) Principi di funzionamento • Integrazione di polimeri organici elettro-ottici + strutture guidanti in silicio per modulazione ottica ad alta frequenza ( > 60 GHz) • Strutture guidanti in silicio submicrometriche Vantaggi • Combinazione dei vantaggi del silicio in termini di: •con • tecnologie di silicon-photonics , • integrabilità con elettronica C-MOS, l’efficienza di modulazione ottica dei polimeri organici •Silicon photonic nano-wires Le Nanotecnologie Progetto Nazionale Progetto: NMP: Nanotechnology Multiscale Project Partners: SELEX SI, SELEX COMM (oggi SELEX ELSAG), ALENIA AERONAUTICA (Oggi ALENIA AERMACCHI), CSM, OTOMELARA Obiettivo: Progettare e realizzare dimostratori per i vari ambiti di applicazione previsti dal progetto che dimostrino le capacità delle aziende coinvolte ed i miglioramenti delle prestazioni dei prodotti rispetto alle tecnologie tradizionali Motivazioni: accrescere il know-how nel campo delle nanotecnologie quale elemento abilitante per lo sviluppo e la realizzazione di prodotti altamente innovativi nel settore militare e civile PNRM 13/05: flusso delle attività Definizione e progettazione ambiente integrato multiscala Implementazione ed applicazione dell‘Ambiente Integrato ai 4 settori d‘interesse Nano Demonstrators Test “State of Art” Study - DB Ambiente NMP - DB Nano Intelligence - DB Impatto Ambientale Test and Exploitation NMP Integrated Environment Analisys & Sinthesys Models & NanoTechnologies Development •1 Results and future Devel. Analisys PNRM 13/05: struttura del progetto • 4 Sotto-Progetti: Nano-Sensors, Nano-Electronics, Nano-Radar Selective Material, Nanostructured Metallic Material • 3 “Data Base”: Multiscale Modelling DB, Nano-R&D DB, Biological & Environmental Impact of Nanotechnologies DB • 9 Temi di Ricerca: Sensore CO, Sensore Chimico, Sensore Biologico, Nanotriodo al THz basato su CNT, Thermal Management per HP devices basato su CNT, FSS Nanostrutturate, Materiali EMA, Materiali Metallici per Aeronautica, Materiali per applicazioni Ballistiche NANOVALV NANOCOPS NANOMET NANOEMA NANOBIO THERMAL MANAGEMENT NANO CHIM NANOPROT NANOFSS Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Obiettivo: Realizzazione di un sensore per CO ad elevata sensibilità (>5 ppm), robusto, a basso rumore e di facile utilizzo CIM (Chemically Interactive Material) sviluppati in NANOCOPS Composto Vantaggi Svantaggi Porfirina basata su Rodio Buona sensibilità Commercialmente poco diffusa Porfirina basata su ferro(III) Buona stabilità chimica Scarsa sensibilità Porfirina basata su ferro(II) Alta sensibilità Instabilità chimica Composti Corrolici Media sensibilità Buona stabilità Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Tecniche di sensing sperimentate Detector Array Reflected Beams Chamber Analyte Particle CIM LASER Detector Spectrum Analyzer LIGHT OUT FLOW IN FLOW λ GRATING Fase 2 •CIM Spettroscopia UV in assorbimento Fase 4 Micro-bilancia Fase 3 Sensore resistivo (elettrodi interdigitati + CIM) Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Integrazione dell’hardware e del software del sensore basato su micro-bilancia Dimostratore del Sensore NanoCOPS basato sul principio della micro-bilancia •150ppm •100 ppm •25ppm •50ppm •5ppm Misure di CO a varie concentrazioni. Il sistema ha dimostrato di avere un’ottima sensibilità misurando agevolmente concentrazioni che arrivano fino a 5 ppm. Sensoristica – NanoBio Interactive Material Obiettivo: Sviluppo di biosensori basati su array di microcantilever in silicio e realizzazione di un sensore a basso costo Principi di funzionamento: Il bioricettore viene depositato su ciascun microcantilever con tecniche di tipo ink-jet. A seguito dell’interazione del bioricettore con l’elemento da detettare il microcantilever varia la sua massa e di conseguenza varia la frequenza di oscillazione che viene misurata tramite tecniche ottiche. La variazione della frequenza di oscillazione è direttamente proporzionale alla variazione di massa del microcantilever a seguito della detezione Sensoristica – NanoBio Interactive Material Completati i test per la funzionalizzazione dei cantilever e avviati i test funzionali preliminari 1. 2. 3. 4. 5. CAMERETTA A VUOTO; CELLA PELTIER; DISCO PIEZOELETTRICO; CHIP CONTENENTI GLI ARRAY DI CANTILEVER; INGRANDIMENTO AL MICROSCOPIO OTTICO DI UN ARRAY Sensoristica – Sensore Chimico NanoChim Obiettivo Realizzare un sensore in grado di rilevate sostanze chimiche direttamente o indirettamente pericolose Principio di funzionamento • • • Sensore costituito da una matrice di NxN (=4096) contatti elettrici resistivi costituiti da polimeri organici drogati di diversa natura e struttura Polimeri diversi presentano risposta diversa alla interazione chimica con il medesimo analita (indipendenza dei polimeri) Il numero di polimeri utilizzati è << del numero di celle (10-20 polimeri). Si ha pertanto una naturale ridondanza e non indipendenza delle celle R= Sensore (4096 elementi polimerici resistivi) R1 R2 … … R4096 C= PCA (Principal Component Analysis) PLS-DA (Partial Least Square Discriminant Analysis) Reti Neurali C1 C2 … … CN Sensoristica – Sensore Chimico NanoChim IL DIMOSTRATORE: INTEGRAZIONE DEI COMPONENTI Scheda NI-6212 Gas Chamber Matrice su Daughter Board Scheda Scansione e Lettura SW Lettura e Controllo Nanoelettronica – Nanotriodo a catodo freddo Obiettivo Realizzare un dispositivo valvolare il cui catodo sia realizzato tramite nano-tubi di carbonio (CNTs); l’emissione di elettroni dal catodo è ottenuta fruttando l’effetto punta di strutture nano-metriche quali i CNTs CNTs for Cathode Vantaggi Elevata miniaturizzazione • Alte frequenze di funzionamento • Alta potenza (Thermal Management facilitato) • Potenziali applicazioni: sono legate alla possibilità di raggiungere frequenze di funzionamento molto elevate Applicazioni nell’Homeland Security Detezione di esplosivi tramite analisi di spettri di assorbimento Comunicazioni sicure a corto range (attenuazione atmosferica) Imaging al THz Spettri di assorbimento di esplosivi Nanoelettronica – Nanotriodo a catodo freddo Le più recenti simulazioni basate sulla configurazione Multi-Finger hanno evidenziato limiti di funzionamento del dispositivo per frequenze non superiori dell’ordine del centinaio di GHz E’ stata avviata la realizzazione del primo prototipo di nano-valvola Multi-Finger • Config. Crossbar (Fase 2) Processi tecnologici più semplici per la realizzazione • Frequenza operative maggiori rispetto alla • Configurazione Crossbar Nanoelettronica – Thermal Management Obiettivo Sfruttare l’elevata conducibilità termica dei nano-tubi di carbonio (CNTs) per sviluppare nuovi materiali e tecniche di montaggio per chip di potenza a microonde al fine di migliorarne la dissipazione. Vantaggi Migliorare le prestazioni e l’affidabilità in particolare dei dispositivi MMIC in tecnologia GaN che possono sviluppare elevati valori di densità di potenza in conseguenza degli elevati valori di tensione di polarizzazione e corrente a cui possono operare. Riduzione della T di giunzione in dispositivi basati su tecnologia GaAs e GaN quali elementi costitutivi dei TRM (Transmit/Receive Module) Bump Sapphire AlN Substrate Sapphire GaN Nanoelettronica – Thermal Management Principi di funzionamento Inclusione di CNT in matrici commerciali per l’aumento di conducibilità termica del materiale (face-up). I CNT fungono da ‘ponte’ tra le particelle metalliche della resina commerciale • • Utilizzo di CNT come bump per aumento della conducibilità termica e diretta interconnessione elettrica del chip al substrato (flip-chip) Face-up Flip-chip Heat sink Chip Die Substrate High Power Chip Package TIM CNTs Bumps Heat Sink Package CNT come ‘ponte’ tra le strutture metalliche della resina Set-up di misura delle resine Bump in CNT Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS Obiettivo Realizzazione di schermi FSS (Frequency Selective Surface) per antenne RADAR attive al fine di migliorarne le prestazioni T TiO2 R Principi di funzionamento Patch metallica realizzata in Film Sottile multistrato • Dielettrico realizzato utilizzando matrice base standard più nano/micro polveri dielettriche per la calibrazione della costante dielettrica del composito • Azione filtrante dell’assieme nel range di frequenze voluto • Vantaggi FSS low cost e flessibile per Sistemi Multifunzione @ 6-18GHz con: •Trasmittanza > 80% nella banda 6 GHz18-GHz • Riflettanza < 40% nella banda 6 GHz-18GHz • Nanopolvere di TiO2 Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS FSS a Banda Larga per Sistemi Multifunzione - Progettazione Materiali nano-compositi dielettrici con permettività controllata Matrice: resina epossidica Filler: Al2O3 (1-10 m), TiO2 (0.3-0.5 m), SrTiO3 (5 m) Progettazione del nano-composito mediante simulazione (EMT) Test di caratterizzazione: misure permettività effettiva 8-18 GHz parte reale parte immaginaria 0 Progettazione del dimostratore FSS multistrato (nano-composito) con patch a film sottile multistrato strato dielettrico T Patch Film sottile multistrato (50nm di Ni e 300 nm di Cu) SE di circa 60 dB FSS R Dielettrico Resina epossidica + 4% Titania (TiO2), spessore 3.5 mm Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS FSS a Banda Larga per Sistemi Multifunzione Realizzazione e Test Sono stati realizzati una serie di dimostratori tecnologici costituiti da pannelli FSS delle dimensioni di 40X40 cm circa Tutti i dimostratori sono stati misurati in camera anecoica mostrando un buon accordo con le simulazioni Multistrati nanometrici per applicazioni EMA Obiettivo Studio e sviluppo di nuovi materiali multistrato nano-strutturati conduttivi a Radio Frequenza, ma trasparenti nel: • visibile e vicino infrarosso (fino a 1,5 μm) • medio infrarosso (8 – 12 μm) Applicazioni La struttura è utilizzata per la schermatura di calotte e di finestre per sensori aeronautici; mira a garantire alta trasmittanza ottica nelle bande operative di vari sensori elettro-ottici (E/O) di missione, ed al contempo bassa osservabilità a radio-frequenza Multistrati nanometrici per applicazioni EMA Medio infrarosso (8–12 μm): Substrato di Germanio su cui, attraverso tecniche di deposizione tramite sputtering e tecniche di fotolitografia, viene realizzata una struttura reticolare metallica a film sottile opportunamente ottimizzata nella geometria. Lo studio e la simulazione di tali strutture è stato fatto con l’ausilio di modelli matematici e tool di calcolo appositamente sviluppati che tengono conto del comportamento dei materiali su scala micrometrica e nanometrica NMP - Performance in Trasmissione del campione di prova P1A 100 90 80 70 T% 60 50 40 30 20 10 0 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000 11500 12000 wavelength (nm) T% P1A uncoated T% P1A con micro-grliglia T% P1A with micro-griglia + AR su 2 lati 12500 13000 Multistrati nanometrici per applicazioni EMA Visibile e vicino infrarosso (fino a 1,5 μm) Lo studio e la simulazione di tali strutture è stato fatto con l’ausilio di modelli matematici e un tool di calcolo costituito di 4 moduli appositamente sviluppati; Attraverso di esso è possibile calcolare la correlazioni tra dimensioni dei grani del rivestimento su scala nanometrica e proprietà funzionali dello schermo Immagine di un provino Immagini SEM del rivestimento e successive elaborazioni grafiche ARB per Applicazioni Aeronautiche e Balistiche Obiettivo: utilizzare la tecnica ARB (Accumulative Roll Bonding) per sviluppare materiali metallici nanostrutturati per applicazioni aeronautiche e balistiche con prestazioni migliorate rispetto al materiale tal quale. Principi di funzionamento: consiste nella ripetizione di cicli di laminazione di un precursore costituito da un accoppiamento di due lamierini sovrapposti. La laminazione impartisce a tale precursore una deformazione plastica con una riduzione di spessore tipicamente del 50% realizzando così una giunzione metallurgica tra i due lamierini. Al termine di ogni ciclo il lamierino prodotto viene riaccoppiato ad un suo analogo e laminato nuovamente. Materiale in sezione post laminazione Laminatoio Ciclo n°1 Ciclo n°2 2 strati 4 strati Interfaccia creata interfaccia creata … Ciclo n° N 2^N strati Interfaccia creata Applicazioni Aeronautiche e Balistiche Vantaggi: il materiale nanostrutturato ha mostrato il miglioramento su leghe da incrudimento dei seguenti parametri • sforzo ultimo a rottura • durezza Dimostratore Aeronautico: parte strutturale costituita da uno skin in AA5083 nanostrutturato mediante ARB e stringer in AA7075 – T6511 Potting Superiore AA5083: CURVE SFORZO DEFORMAZIONE 450 ARB 10P-1_trazione Potting Inferiore h111-1_trazione 400 10P_compressione SFORZO (MPA) 350 Test di trazione su AA5083 H111 300 250 200 150 Dimostratore Balistico: eseguiti test preliminari 100 50 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 DEFORMAZIONE Test di durezza Microdurezza Vickers AA6056-T4 Microdurezza Vickers AA6056-T6 Microdurezza Vickers AA6056-ARB Nano Amb: Progettazione Multiscala La dinamica dei Sistemi Naturali e Tecnologici é determinata da uno spettro di fenomeni e processi che interagiscono fra loro su un’ampia gamma di scale spaziali e temporali. Progettazione Multiscala: metodologia di progettazione supportata da simulatori e ottimizzatori che risolvono numericamente modelli analitici che si riferiscono a strutture fisiche il cui comportamento è determinato da fenomeni che avvengono a diverse scale spaziali e/o temporali. NanoAmb: architettura software generale NanoAmb è concepito come un’infrastruttura software per la gestione di programmi per la simulazione e in generale l’ottimizzazione di dispositivi elettronici di varia natura (antenne, amplificatori, nanovalvole, metamateriali, guide d’onda, ecc…) il cui comportamento è descritto attraverso modelli matematici che rappresentano fenomeni che, in generale, avvengono a diverse scale spaziali e/o temporali. Funzionalità chiave: permettere lo scambio di modelli e dati tra i diversi software integrati in modo da realizzare un workflow completo di simulazione/ottimizzazione CAD: permettono la definizione dei modelli meccanici e quindi, l’immissione della parte più rilevante dei dati di input Mesher: permettono la discretizzazione dei modelli meccanici necessaria per le successive fasi di calcolo numerico Solver: attraverso opportune tecniche di calcolo forniscono la stima dei parametri fisici di interesse e che, in generale, si riferiscono a scale spazio/temporali diverse Optimizer: attraverso l’analisi comparata e reiterata dei risultati forniti dai vari solver, consentono la soluzione di problemi di ottimizzazione quali ad esempio la ricerca di massimi e minimi condizionati, ecc… NanoAmb: esempio di emissione da nano-punta A partire dalla costruzione del modello a elementi finiti della nano-punta, attraverso TiberCAD calcola la corrente di emissione Tale valore di corrente viene utilizzato come dato di input per CST per calcolare le traiettorie degli elettroni NanoInt: database Nano Intelligence NanoInt: data-base contenente anagrafica e informazioni di aziende, università, politecnici ed anti di ricerca che a vario titolo si occupano direttamente o indirettamente di nanotecnologie NanoImAm: Database Nano Impatto Ambientale NanoImAm: data-base contenente articoli, documenti e normative riguardanti i vari aspetti delle nanotecnologie legate a questioni di impatto ambientale e sicurezza per i lavoratori e la popolazione Anna Maria Fiorello e-mail: [email protected] T +39 06 415013104 M. +393351379733