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4 Aprile 2012

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

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  1. TECNOLOGIE FOTONICHE e NANOTECNOLOGIE (in SELEX Sistemi Integrati) Anna Maria Fiorello 4 Aprile 2012

  2. 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)

  3. 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€

  4. 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: Employes 40 Lab & Clean Rooms: ~ 1000m2 Equipments: ~ 8 M€

  5. FOTONICA

  6. PHOTONCS: Technologies Capabilities Devices Thin Film Chips LiNbO3 Wafers IntegratedOpticsDevices AmplitudeModulators / Phase / frequency Switches and electro-opticsswitchesmatrixes AOTF (Acousto-OpticsTunableFilter Non linear PPLN Devices Packaging Photolitography Thin Film Technologies Fiber interconnection

  7. 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

  8. LiNbO3:caratteristiche e proprietà Trasparente (0.4m-4m) Elettrootico: n  E Piezoelettrico: E  PACU Acustoottico: n  PACU Ferroelettrico: polarizzazione spontanea a campo nullo

  9. Modulatore elettroottico in LinbO3 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 DCsposta lateralmente la curva di trasmissione per posizìionarla nel punto di massima linearità

  10. 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

  11. PROCESSO REALIZZATIVO • Wafer di LiNbO3 • Realizzazione guide ottiche • Strato buffer • Elettrodi film sottile • Elettrodi film spesso (crescita elettrolitica guidata) • End-Fire e taglio finale

  12. Guide TAPE (Thermal Annealed Proton Exchange) SCAMBIO PROTONICO CH3COOH + LiNbO3 CH3COOLi + HNbO3 Maschera SiO2 Impianto di Sputtering Acido benzoico a 200°C Forno per diffusioni Scambio Protonico Annealing termico (~350°C) 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

  13. 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)

  14. 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)

  15. Crescita elettrodi  WG G tE W tB Per il funzionamento fino a 35 GHz si richiede: Matching tra l’indice di propagazione a radio-frequenzanRF(~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

  16. 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

  17. Link in Fibra Ottica Il modulatore è pilotato dal segnale d’ingresso tra il massimo e il minimo di trasmissione Link digitale 0,1,1,0, …, 1,1,0 Il modulatore è pilotato intorno al punto di massima linearità Link analogico VRF(OUT)  VRF(IN)

  18. La Fotonica nel RADAR: segnali digitali Distribuzione dati di controllo al TRM multichannel Rete di Beam Forming Digitale Esempio: Distribuzione del OL ai ricevitori in antenna Multichannel TRM TR ottico ACC TR ottico DSP TR ottico Ricevitore TR ottico STALO Ricevitore Tx ottico Rx ottico

  19. Riv. RFOUT Riv. Modulator Riv. 1.501 msec 1.500 msec 0.751 msec 0.750 msec 2 4 Riv. MEADS Laser (1) 3 DMUX MUX AMPLI AMPLI Laser (2) 2 Delay Module Modulator t = 0.75 msec ( 150 km di fibra) 1 1 La Fotonica nel RADAR: segnali analogici RF Sistemi WDM, amplificazione e commutazione ottica Allo stato dell’arte SNR =70dB/ MHz SFDR=110dBc/Hz2/3 Applicazioni: Tool di simulazione target Rete di BFN ottico al livello di subarray Modulatore Selex SI

  20. La Fotonica nel RADAR: segnali analogici Oscillatore Optoelettronico Convertitore ADC fotonico Segnale a 4400 MHz sottocampionato a 500 MSps (FFT) ENOB 5.5

  21. Fotonica – OpticalDevice (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: • tecnologie di silicon-photonics , • integrabilità con elettronica C-MOS, • con l’efficienza di modulazione ottica dei polimeri organici Silicon photonic nano-wires

  22. Le Nanotecnologie

  23. Progetto Nazionale 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

  24. Definizione e progettazione ambiente integrato multiscala Implementazione ed applicazione dell‘Ambiente Integrato ai 4 settori d‘interesse “State of Art” Study Nano Demonstrators Test Results and future Devel. Analisys - DB Ambiente NMP - DB Nano Intelligence - DB Impatto Ambientale NMP Integrated Environment Analisys & Sinthesys Test and Exploitation Models & NanoTechnologies Development PNRM 13/05: flusso delle attività 15

  25. NANOFSS NANOMET NANOCOPS NANO CHIM NANOBIO NANOVALV THERMAL MANAGEMENT NANOPROT NANOEMA PNRM13/05: 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 TemidiRicerca: Sensore CO, SensoreChimico, SensoreBiologico, Nanotriodo al THz basatosu CNT, Thermal Management per HP devices basatosu CNT, FSS Nanostrutturate, Materiali EMA, MaterialiMetallici per Aeronautica, Materiali per applicazioniBallistiche

  26. 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

  27. Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Tecniche di sensing sperimentate Fase 2 Spettroscopia UV in assorbimento CIM Fase 4 Micro-bilancia Fase 3 Sensore resistivo (elettrodi interdigitati + CIM)

  28. Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Integrazionedell’hardware e del software del sensorebasatosu micro-bilancia 150ppm 100ppm 50ppm 25ppm 5ppm Dimostratore del Sensore NanoCOPS basato sul principio della micro-bilancia Misure di CO a varie concentrazioni. Il sistema ha dimostrato di avere un’ottima sensibilità misurando agevolmente concentrazioni che arrivano fino a 5 ppm.

  29. Sensoristica – NanoBioInteractive 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 microcantilevervaria 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

  30. Sensoristica – NanoBioInteractive Material Completati i test per la funzionalizzazione dei cantilever e avviati i test funzionali preliminari • CAMERETTA A VUOTO; • CELLA PELTIER; • DISCO PIEZOELETTRICO; • CHIP CONTENENTI GLI ARRAY DI CANTILEVER; • INGRANDIMENTO AL MICROSCOPIO OTTICO DI UN ARRAY

  31. 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 R1 R2 … … R4096 C1 C2 … … CN R = C = Algoritmi di Classificazione PCA (PrincipalComponentAnalysis) PLS-DA (Partial Least Square Discriminant Analysis) Reti Neurali Sensore (4096 elementi polimerici resistivi)

  32. Sensoristica – Sensore Chimico NanoChim IL DIMOSTRATORE: INTEGRAZIONE DEI COMPONENTI Scheda NI-6212 Gas Chamber Matrice su DaughterBoard Scheda Scansione e Lettura SW Lettura e Controllo

  33. 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 Vantaggi Elevata miniaturizzazione Alte frequenze di funzionamento Alta potenza (Thermal Management facilitato) CNTs for Cathode Potenzialiapplicazioni: sono legate allapossibilità di raggiungerefrequenze di funzionamentomolto elevate Applicazioninell’Homeland Security Detezione di esplosivitramiteanalisi di spettri di assorbimento Comunicazionisicure a corto range (attenuazioneatmosferica) Spettri di assorbimento di esplosivi Imaging al THz

  34. 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 Processi tecnologici più semplici per la realizzazione Frequenza operative maggiori rispetto alla Configurazione Crossbar Config. Crossbar (Fase 2)

  35. Sapphire Bump AlN Substrate Sapphire GaN Nanoelettronica– ThermalManagement 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/ReceiveModule)

  36. Heat sink Chip Chip Package Package TIM TIM Nanoelettronica– ThermalManagement 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 CNT come ‘ponte’ tra le strutturemetallichedellaresina Set-up di misura delle resine Bump in CNT

  37. TiO2 Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS Obiettivo Realizzazione di schermi FSS (FrequencySelectiveSurface) per antenne RADAR attive al fine di migliorarne le prestazioni 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 Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz Nanopolvere di TiO2 Vantaggi FSS low cost e flessibile per Sistemi Multifunzione @ 6-18GHz con: Trasmittanza > 80% nella banda 6 GHz-18-GHz Riflettanza < 40% nella banda 6 GHz-18-GHz

  38. Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS FSS a Banda Larga per SistemiMultifunzione - 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 Progettazione del dimostratore FSS multistrato (nano-composito) con patch a film sottile multistrato Patch Film sottile multistrato (50nm di Ni e 300 nm di Cu) SE di circa 60 dB parte reale parte immaginaria Dielettrico Resina epossidica + 4% Titania (TiO2), spessore 3.5 mm 0 Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz

  39. Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS FSS a Banda Larga per SistemiMultifunzioneRealizzazione 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

  40. 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

  41. 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

  42. 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 calcolocostituito 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

  43. Ciclo n°1 2 strati Interfaccia creata Ciclo n°2 4 strati interfaccia creata Ciclo n° N 2^N strati Interfaccia creata … ARB per Applicazioni Aeronautiche e Balistiche Obiettivo:utilizzare la tecnica ARB (AccumulativeRollBonding) 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

  44. Microdurezza Vickers AA6056-T4 Microdurezza Vickers AA6056-T6 Microdurezza Vickers AA6056-ARB Applicazioni Aeronautiche e Balistiche Dimostratore Aeronautico: parte strutturale costituita da uno skin in AA5083 nanostrutturato mediante ARB e stringer in AA7075 – T6511 Vantaggi: il materiale nanostrutturato ha mostrato il miglioramento su leghe da incrudimento dei seguenti parametri • sforzo ultimo a rottura • durezza ARB Test di trazione su AA5083 H111 Dimostratore Balistico: eseguiti test preliminari Test di durezza

  45. 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.

  46. 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…

  47. 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

  48. 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

  49. 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

  50. Anna Maria Fiorello e-mail: afiorello@selex-si.com T +39 06 415013104 M. +393351379733

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