Vinnova Workshop 2009 Banbrytande IKT. Plattform för MMIC-baserade THz-system

Transkript

1 Vinnova Workshop 2009 Banbrytande IKT Plattform för MMIC-baserade THz-system Projektledare Herbert Zirath Chalmers Delprojektledare Jan Stake Chalmers HZ: Aktiva MMIC baserade på transistorteknologier JS: MMIC baserade på Schottkydioder

2 Vision Användandet av frekvenser mellan 50 GHz-1000GHz ökar succesivt mer eller mindre dramatiskt under närmaste tioårsperiod drivet av olika IKT-applikationer : Kommunikation 60 GHz, E-bandet (71-75 GHz, GHz), 120 GHz... Radiometersystem och Radarsystem för fjärranalys för - Observation av jorden från satellit - Säkerhets-scanning av personer vid flygplatser etc - Materialanalys inom THz-området För att få kostnadseffektiva lösningar bör systemen bygga på högintegrerade halvledarkretsar som har möjligheten att kunna tillverkas i tillräckligt höga volymer. Vi måste därför lära oss hur sådana kretsar skall designas, samt hur man kan använda kretsarna praktiskt.

3 Plattform för MMIC-baserade THz-system Är den plattform där vi -Studerar olika halvledarprocesser som möjliggör att THz-system kan realiseras -Designar THz-kretsar, karakteriserar, tar fram aktiva och passiva modeller och designverktyg för att kunna göra dessa kretsar -Studerar lämpliga byggsätt för kretsarna -Studerar kretsarna i system Vi arbetar tillsammans med olika partners som ofta kommer från systemsidan och bidrar med systemspecifikationer, exempelvis Omnisys AB för rymdburna radiometrar för 53, 118, 183, och 340/380 GHz FOI, IAF och Saab Microwave Systems för 220 GHz aktiv imaging Ytterligare finansiering från dessa samarbeten gör att vi kan arbeta i forskar grupper som uppnår kritisk massa

4 Integration av THz-Elektronik GHz GHz +20 db -7 db x2 x & 29.5 GHz RF HYBRID Single side band mixer

5 Exempel på resultat från olika kretsteknologier 100nm mhemt från IAF Freiburg Projekt Nanocomp Chalmers, FOI, Saab, IAF, Omnisys finansiär: FMV Aktivt avbildande radarsystem för 220 GHz Mottagarsystem för 220 GHz MMIC-baserad superheterodynmottagare Projektide Integrera så mycket som möjligt Antenn, lågbrusförstärkare, frekvensmixer, LO-generering...

6 1st generation of receiver Approx 9dB receiver noisefigure obtained experimentally V GS LNA V DS LNA GND V GS Mixer Opening in backside metallization?/4?/4?/4 Coupled line HPF 2 10? m LO in = 109 GHz?/4?/4?/4 2 10? m 2 10? m 2 10? m Slot -square antenna Three - stage low noise amplifier?/4 open stub LPF 2 10? m 180 delay line RF in = 220 GHz LO in = IF out = 109 GHz 2 GHz Sub -harmonically pumped resistive mixer IF out = 2 GHz

7 2nd generation of receiver Approx 7dB receiver noisefigure obtained experimentally LO multiplier included on-chip Represents highest integration density at 220 GHz of active receiver circuits Photo of the chip Measured conversion gain vs frequency, IF=1GHz

8 220GHz mottagarmodul Mätningar pågår...

9 Exempel 2: radiometer för atmosfärsforskning Del av THz+ projektet i GHz-center

10 One interferometer: t Front-ends: 53, 110/118, 166/183 & 340/380 Dual polarisation IF distribution: GHz & LO: GHz Time multiplexed operation, 4 receivers used for 7 frequency bands IF and cross correlator system will have a direct benefit from commercial technology from the wireless and telecom sector 32 or 45 nm should be available Only 65 nm is needed in production Q4-2005

11 118 GHz Integrated Receiver Module GHz GHz +20 db -7 db x2 x & 29.5 GHz 118 GHz MMIC (IAFs 100 nm GaAs mhemt)

12 Noise Figure and Conversion Gain measured with SA and H/C loads Hot/Cold load powers-uncorrected LO=122 GHz Conv Gain NF, db Ho ot/cold po ower, dbm CG and NF of chip 1 measured with SA and H/C loads, bias point 1,Vd1=1.4 Id=46mA, Vg=0.053 Ig=-0.38uA IF*, GHz Tsys~340 K IF Frequency, GHz limited it by the IF amplifier IF Frequency, GHz

13 Nystartat projekt medfinansierat av SSF Charmant+MSB: active MMIC receiver array for scanning radiometer or radar at 340 GHz Mål Design av array (N=8) av mottagare för 340 GHz baserad på aktiva kretsar (uppbyggda av transistorer) Utmaningar: Transistorer arbetar nära gränsfrekvensen Kretsytan måste minimeras Antennan bör integreras Generering och distribution av LO Hitta foundry som kan processa MMIC Angrepps-sätt Antennintegrerade frekvensblandare Undersök självoscillerande frekvensblandare Egenutvecklade MMIC-processer

14 Byggsätt Flera olika byggsätt studeras Vågledarbaserade byggsätt Mikrostrip baserade byggsätt

15 Exempel på mottagarmodul

16 Anpassning av MMIC till vågledare Exempel: GHz LNA,

17 Circuit cavity and Interface to a waveguide Example: a GHz LNA, 1.4 fc(101)=127 mm GHz 2.22 mm

18 GHz Bond-wire interface Waveguide-tomirostrip transition on 50µm Alumina Via-holes to GND 50µm GaAs MMIC Via-holes to GND

19 GHz Bond-wire interface Ansoft Corporation Y Name X Y m m m1 m2 XY Plot 1 Curve Info db(s(2,1)) Setup1 : Sw eep1 $dx='0um' $dz='0um' _0_low er_elevation='0m db(s(1,1)) ( Setup1 : Sw eep1 $dx='0um' $dz='0um' _0_low er_elevation='0m db(s(2,2)) Setup1 : Sw eep1 $dx='0um' $dz='0um' _0_low er_elevation='0m db(s(1,2)) Drawing_ Freq [GHz]

20 Simulated Ansoft Corporation XY Return Plot 1 Loss Complete_Structure Curve Info db(s(1,1)) Setup1 : Sw eep1 db(s(2,2)) Setup1 : Sw eep GHz Test structures Y mm Freq [GHz]

21 GHz Integrated Receiver Module GHz GHz +20 db -7 db x2 x & 29.5 GHz

22 GHz Integrated Receiver Module 2.25/3.25 mm

23 GHz Integrated Receiver Module

24 Ett alternativ till vågledare är mikrostripbyggsätt Vi har verifierat att teflonbaserade mikrostripbyggsätt fungerar upp till 90 GHz (teflon på metallbärare) Bilden visar teststrukturer med vågledarövergångar

25 Exempel 3: 60 GHz sändare/mottagare Används i världens första NLOS 60 GHz MIMO system Projekt tillsammans med HHI-Berlin och Technische Universitet Berlin.

26 Sammanfattning aktiva MMIC Högintegrerade MMIC demonstrerade upp till 220 GHz, 340 GHz nästa mål Olika typer av byggsätt utvecklas fn i projektet Flera nya projekt kopplar till THz-plattformen inom kommunikation och fjärranalys Många olika halvledarprocesser utvärderas på såväl kisel som GaAs med en rad olika samarbetspartners: Omnisys AB, Saab AB, Ericsson AB, Sivers IMA AB, NXP, Gotmic AB, IAF, Teledyne, WIN semiconductors Taconic

27 Chalmers University of Technology Integrated Terahertz Circuits Overall objectives Monolithic circuits for applications in the submillimeter wave band: 033TH 0,3-3THz. Imaging and sensing applications Critical front-end components for planetary missions and atmosphere science Specific goals Monlithic integrated circuits at 340, 557, and 650 GHz. State-of-the-art receivers THz camera Array concepts

28 Chalmers University of Technology Discrete THz diodes Difficult to assembly and limited to frequencies below 500GHz

29 Chalmers University of Technology Towards integration of THz circuits RF HYBRID Single side band mixer

30 Chalmers University of Technology Integrated circuits above 300GHz Integration techniques: Micromachined waveguides and transmission lines Membrane circuits Hybrid circuits (mixed technology needed) d) 340 GHz Schottky diode mixer and HBV diode quintuper for LO generation MMIC LNA for IF signal

31 Chalmers University of Technology Transmission media for THz waves Problems High loss High order modes Tolerances Substrates (e.g. for microstrip circuits ) needs to be very thin (<<30um) and hence difficult to handle and fabricate. Solutions Reduce dielectric loading Air or vacuum Standard microfabrication techniques

32 Chalmers University of Technology Terahertz Monolithic Integrated t Circuit with Schottky diodes LO input guide IF port Diode EM field propagets mainly in air -> Lower loss 3µm thick GaAs membrane Frame RF input guide A thin (2-3 µm) insulating GaAs membrane is left under the diode and filter region, and a thicker support frame falls outside the active area.

33 Chalmers University of Technology GaAs-membrane circuits Epitaxial structure Top junction layer n doped GaAs 100 nm Buried Ohmic layer n+ doped GaAs 1 µm Top etch stop AlGaAs 60 nm GaAs membrane layer 2-3 µm Bottom etch stop AlGaAs 400 nm GaAs substrate Fabrication Mount the wafer top-side down to a holder after the top-side process Lap the backside to the desired frame thickness Pattern the relative position of the membrane and support frame The frames are formed by selectively etching GaAs relative to AlGaAs.

34 Chalmers University of Technology Optimisation i of device geometry Reduction of losses and parasitic coupling FW = 1.5um FW = 2.5 um FW = 4um Study of high frequency loss in air-bridge fingers (Skin effect)

35 APPLICATIONS Chalmers University of Technology

36 Chalmers University of Technology THz images CW 108 GHz Imaging Setup An 18 mm diameter catadioptric lens, coupled to a WR-10 horn antenna 3-axis automated positioner (µm resolution)

37 Chalmers University of Technology Conclusions Membrane process for monolithic integration of THz circuits under development under development Compact single side band mixer at 340GHz demonstrated New type of catadioptric lens has been proposed and evaluated for imaging at millimeter wave frequencies.