Plattform för MMIC baserade THz system 12.9 Mkr herbert.zirath@chalmers.se jan.stake@chalmers.se Applikationer för mmw/submmw/thz Resultat på MMIC-processer: 100 nm mhemt Fraunhofer Institute IAF 250 nm DHBT Teledyne Scientific, USA Schottky diod MMIC Chalmers, Wasa mmw 130 nm InP HEMT MMIC Chalmers, LNF AB Systemrelaterade resultat: avbildande scanner 220 GHz 12.5 Gbps 220 GHz IAF chip Radiometrar för Omnisys Pågående projekt MMIC: Monolithic Microwave Integrated Circuit
Användningsområden mmvåg-thz som vi arbetar med idag Säkerhets-skanning på avstånd upp till 50m Trådlös kommunikation med höga datatakter Atmosfärs observation från jorden eller rymden Molekyl spektra (radio astronomi & medicin) Sensorer för industriella tillämpningar
Elektroniken som krävs för att bygga dessa system för frekvenser över 50 GHz är otymplig och kostsam, kommer huvudsakligen från USA Projektet Plattform för MMIC baserade THz system avser att råda bot på detta genom att ta fram 1. Svensk baserad teknologi 50 GHz till 1THz 2. designmetodik för MMIC 3. Integrerade kretsar som kan användas i system 4. Systemdemonstratorer Olika systemdemonstratorer har vi tagit fram/tas fram i samarbete med bl a Omnisys Instruments, Saab AB, FOI, Ericsson AB
Exempel : Mottagare för 90-120 GHz Högre integration är nödvändig ur kostnadssynpunkt, vikt, volym och producerbarhet 90-126 GHz +20 db -7 db x2 x2 0.01-8 GHz Example : Single side band mixer 27.5 & 29.5 GHz RF HYBRID Courtesy Jan Stake Microwave Electronics Laboratory
Vad är problemet? Inga integrerade kretsar på marknaden Kapsling Kompetens hur man designar kretsar och kapslar komponenter Frekvensområdet 100 GHz -1 THz erbjuder teknologiska utmaningar Varför vill vi göra detta? Möjliggör nya systemapplikationer Spännande forskning
Absorption i atmosfären Chalmers University of Technology O 2 H 2 O O 3
The THz wall for communication
THz gapet: effekt generering är en utmaning
Lite historia omkring År 2000 startade arbete med 60 GHz MMIC Image reject receiver 1st chip set for 60 GHz radio made at Chalmers University in phemt technology (WIN PP 15) RFin 56 64 GHz RF amplifier Image reject mixer Baseband out 2.5 GHz CF Experimental data LO 6.7 7.7 GHz X8 frequency multiplier+buffer RFout 56 64 GHz 5.7x5 mm Transmitter Balanced mixer w. high LO rejection 8 db RF IF gain >25 db image rejection 56 64 GHz RF bandwidth >1.5 GHz IF bandwidth Baseband in 2.5 GHz CF See IEEE JSSC Nov 2005 5x3.5 mm LO 6.7 7.7 GHz
MMIC for 60GHz and E band Modules for 60GHz and E band
A new Chalmers spin-off company founded with the mission to develop products for high datarate wireless communication at 60 GHz and E-band 71-86 GHz Chipsets are now available as commercial products See www.gotmic.se Kretsforskningen på Chalmers fokuseras på frekvenser över 100 GHz år 2005
1-a teknologi plattformen: 100nm gatelängd mhemt MMIC process från Fraunhofer Institute Unity gain cutoff: f T = 174 GHz Maximum freq. of oscillation f MAX = 433 GHz
IAFs 100 nm GaAs mhemt 118 GHz MMIC 210GHz receiver module, 7-8 db receiver noise figure 3x2 mm
LO source for 183 GHz Fundamental Mixer X3 X2 PA 183 GHz 183 GHz LO signal Off-chip VCO PA 5 4 Pout Output Power, dbm THz+ project with Omnisys 3 2 1 0-1 -2-3 160 165 170 175 180 185 190 195 200 Output frequency, GHz
Tillämpningsexempel 1: standoff imaging Med ett aktivt skannade radarsystem är det möjligt att detektera gömda vapen under kläder på upp till 50 m avstånd Tillsammans med partners Saab, FOI, IAF, Omnisys har vi utvecklat ett skannande system som möjliggör detektion Projektet har presenterats av TV4 2011-11-16 http://www.tv4play.se/nyheter_och_debatt/ny heterna?title=osynlig_sakerhetskontroll&vide oid=2097018 Detta system är avsett för systemstudier, är ej realtidssystem Vi utvecklar nu ett realtidssystem med JPL USA med DHS och MSB som finansiärer Det systemet bygger på 8 parallella kanaler Strategic Research Centre on Microwave Antenna Systems
FIRST STAND-OFF IMAGING SYSTEM NanoComp, Radareyes, SSF Liniment The 220 GHz one-pixel SAR FMCW scanner 220 GHz Integrated receiver MMIC Strategic Research Centre on Microwave Antenna Systems
Active scanning gives distance discrimination, 3D views Docka med pistol innanför jackan Vy framifrån i snitt som indikeras av röda linjerna i vidstående figurer Vy från sidan Vy uppifrån Strategic Research Centre on Microwave Antenna Systems
Strategic Research Centre on Microwave Antenna Systems
100 nm mhemt MMIC-process på GaAs Vi har demonstrerat: Helintegrerade sändare/mottagar chip upp till 220 GHz Lågbrusförstärkare Frekvensblandare Frekvensmultiplikatorer Antenn-integration Systemrelaterat Personskanner demonstrerad för 220 GHz (FOI, Saab, m fl) Radiometersystem Omnisys 53 GHz, 118 GHz, 183 GHz 12.5 Gbps trådlös datakommunikation demonstrerat för 220 GHz Ozon radiometer 114 GHz demonstrerad av OnsalaSpaceObservatory IAF s mhemt process är tyvärr otillgänglig, vi har nu en liknande process på Chalmers, med Omnisys AB och LNF AB som kunder. Finansieras delvis av Vinnovas GHz-center THz Space Ca 2009 började vi studera en ny process
2-a teknologi plattformen: 250 nm InP Heterojunction Bipolar Transistor (DHBT) Teledyne: TSCHBT 0.25 m InP DHBT Dielectric layers in BCB MET4 3.0 f T = 400 GHz f MAX = 600 GHz Compared to typical HEMT technology: All Dimensions in µm BCB 1.0 Denser integration possible, because the dielectric layers are ~10 times smaller 5 10 times denser integration possible as compared to standard MMIC technology! Each layer is 2 m thick BCB BCB 1.0 3.0 1.0 CAPM MET2 1.0 1.0 MET3 6.8 MSI LSI integration density possible Baseband processing circuits feasible BCB MET1 Substrate CMET Representative cross section of TSCHBT IC technology. Drawing is not to scale. f t = 400 GHz, and f max = 600 GHz @ J E = 5 ma/ m 2, V CE = 1.5V, for a 0.25x5 m 2 device. MSI LSI integration level: some thousand active devices. 1.0 SiNx TFRes 0.8 SiO 0.8
Designed Circuits Low noise amplifiers 100-340 GHz Distributed amplifiers Power amplifiers 100-200 GHz Up/down mixers up to 340 GHz I-Q Modulators up to 220 GHz DACs, DFF, VCO s, static frequency dividers Injection locked VCOs for phase recovery Frequency multipliers up to 660 GHz Antenna integrated circuits Receiver front end Multipixel receiver Power detector LNA+ power detector Band-pass filters Test structures for package transition tests Hybrids Different transistor sizes
1st demonstration of active 340 GHz integrated receiver in TSC InP DHBT technology Subharmonic mixer in order to simplify LO requirements Integrated Antenna (differential 2x2 patch array) Integrated IF amplifier D=13 db
Chalmers University of Technology Chip photo of an integrated 340 GHz receiver (Size: 1680 1840 µm2).
3-e teknologi plattformen: Schottky diod MMIC Chalmers University of Technology Membrane circuit technology THz MMICs: Fabricating integrated circuits on 3 µm thick GaAs. Low parasitics & superior process control.
557-GHz front-end electronics X6, PA MMIC from IAF Integrated Schottky diode on membrane from Chalmers HBV from WASA www.fp7-teracomp.eu
RF results 557 GHz receiver Measured DSB receiver noise temperature over IF frequency @ 260.6 GHz LO frequency and 8 GHz IF including all losses (optical, horn, waveguide, circuit RF and IF) receiver DSB noise temperature 1300 K mixer DSB noise temperature 1100 K DSB conversion loss 9 db Presented at IPRM 2012, Santa Barbara
Pågående projekt relaterat till BIKT: Schottky/HEB InP HEMT Schottky InP DHBT InP DHBT InP DHBT GaAs mhemt InP HEMT InP DHBT THz Space THz Space ISSI ISSI 145 GHz PtP link demonstrator SSF 220 GHz high datarate wireless communication Ozone radiometer for atmospheric study Radiometer for atmospheric study Water content sensor for printing industry
Spin-off företag inom området från MEL, Chalmers: omsättning 2011 2012 LNF AB, grundat 2005, 2 anställda 3.9 M Wasa Millimeterwave, grundat 2007, 2 anställda 1.0 M >2M Gotmic AB, grundat 2008, 7 anställda 2.2 M 5.1 M http://www.gotmic.se/ http://www.wmmw.eu/ http://www.lownoisefactory.com/ Från Onsala Space Observatory Chalmers: Omnisys Instruments AB, grundat 1992, 20 anställda 28.4 Mkr http://www.omnisys.se/
Sammanfattning En Plattform för MMIC baserade THz system har byggts upp vilket möjliggör att sensor system och kommunikations-system från 50 GHz upp till ca 1 THz kan realiseras. Kretsar framtagna under detta program sitter redan i sensor system idag, levererade av Omnisys Instruments AB mot kundorder Flera spinn-off företag relaterade till högfrekvensforskningen på Chalmers levererar idag produkter på världsmarknaden. Några av bolagen är snabbt växande och dubblerar omsättningen varje år. Flera systemrelaterade projekt har startats under 2011-2012 som leder fram till nya demonstratorer inom ett par år Två halvledarprocesser på Chalmers med state-of-the-art prestanda Schottky MMIC-process på membran 130 nm InP HEMT MMIC-process
Radiometers Interferometers in space 340 GHz Arrays in space 58 x THz systems
THz at Omnisys STEAMR Omnisys prime 180 MSEK 320-360 GHz: schottky mixers (Chalmers) Active multiplier: MMIC (GOTMIC) Balloon-borne radiometer 20 + 20 MSEK 320-360, 550-576, 599-620?GHz: schottky mixers (Chalmers) 183, 325 & 664 GHz conical scanning: schottky mixers (Chalmers) METOP Millions of Euro RFQ s from Thales & Astrium For MWS, MWI: 18-200 GHz: MMIC (MMIC LNF/Chalmers & IAF) ICI: 180-660 GHz: Schottky (Chalmers) Working on 3 complex offers each valued in total 10-15 Meuro Should be submitted the 14th, 20th an 21 st of September!! Geo microwave sounder 10 to 50 MEuro Interferometer in geo orbit concrete discussion ESA&China Will get more information in November this year Is based on Omnisys instrument patent Will use MMIC s from either/or Chalmers and IAF
THz cooperation with Chalmers Omnisys has participated together with Chalmers in different THz development activites since 1995 (GHz Center). The continous collaboration has been extremely valuable for Omnisys and has enabled the position Omnisys now have in the international THz market, especially for instrument development. Omnisys are now engaged in development activities with JPL, University of Arizona and DLR for THz instruments, not possible without the Chalmers THz activities. We have now been able to take a position as system supplier of THz based systems, an important step from component and subsystem supplier. It is now possible to build on the position we now have in Göteborg based on components and technolologies from Chalmers. We will be able to deliver scientific instruments world wide (MEuro market) We are well positioned for other THz sensor applications, such as medical, environmental, security...