Ancora innovazione nella microelettronica

RICERCA –

Dai sensori di immagine al fotovoltaico, dalle radio riconfigurabili all’ottica digitale: l’istituto belga Imec continua a sfornare innovazioni e a stringere proficui rapporti di collaborazione con molti produttori di semiconduttori.12

Ha raggiunto 300 milioni di euro il fatturato annuo di Imec, l’istituto belga che svolge attività di ricerca in campo microelettronico avvalendosi del lavoro di circa 1900 persone e finanziando la propria attività tramite contratti o “programmi di affiliazione” con molti dei principali produttori di semiconduttori. Anche quest’anno “Selezione di Elettronica” ha partecipato all’annuale conferenza stampa dell’istituto di Lovanio, tenutasi il 10 e 11 ottobre scorsi, raccogliendo molte novità interessanti che riguardano diversi filoni di ricerca. A differenza degli scorsi anni il programma delle presentazioni ha privilegiato aspetti più direttamente legati alle applicazioni, con una minore enfasi sulle ricerche di base legate alla miniaturizzazione dei dispositivi.

Sensori di immagine
Tra i temi toccati è compreso lo sviluppo di sensori di immagine speciali, per i quali Imec sfrutta la propria tecnologia Cmos a 0,13 micron. Uno dei filoni di ricerca che l’istituto sta perseguendo riguarda l’illuminazione posteriore (Backside Illumination), in alternativa alla tradizionale soluzione con illuminazione frontale (Front Side Illumination). Come ha spiegato Piet De Moor, il lato posteriore del sensore consente di esporre alla luce una maggiore superficie e di evitare le riflessioni che sono invece presenti sul lato anteriore. La nuova tecnologia permette quindi di ottenere un’elevata efficienza quantica. Altre ricerche riguardano la combinazione delle tecnologie Ccd e Cmos per ridurre il rumore nei sensori di immagine; il miglioramento dei sensori modulari che consentono di coprire grandi aree (ad esempio nel campo della radiografia) con la riduzione delle zone cieche perimetrali grazie a strutture di I/O che sfruttano le Tsv (Through Silicon Via); lo sviluppo di strutture tridimensionali con il sensore sovrapposto al chip contenente il resto dell’elettronica, sempre grazie alle Tsv, per accelerare l’estrazione dei segnali. Nel campo dei sensori di immagine Imec opera anche come produttore di dispositivi: l’istituto, infatti, fornisce uno speciale sensore di raggi ultravioletti utilizzato dalla società Asml all’interno dei propri apparati per litografia UV.

Radio riconfigurabili
Sviluppi significativi si registrano sul fronte delle radio riconfigurabili, un filone di ricerca che Imec persegue da anni, con la realizzazione di nuove versioni dei dispositivi sviluppati a Lovanio e la loro adozione da parte di varie industrie. Liesbet Van Der Perre ha illustrato un progetto per la realizzazione di telefoni cellulari di quarta generazione capaci di funzionare su tutte le bande che saranno utilizzate nei diversi paesi per implementare le reti Lte. A livello mondiale, infatti, le bande di frequenza saranno una decina, comprese tra 700 e 2600 megahertz. Van Der Perre ha sostenuto che il progetto sviluppato da Imec, basato sui propri dispositivi Scaldio (front end analogico) e Cobra (banda base digitale), offre vantaggi rispetto a un Asic dedicato, in termini di area di silicio, costi Nre e time-to-market. L’ultima versione di Scaldio, inoltre, non richiede filtri Saw esterni Tra le società che adotteranno questo dispositivo sono comprese Renesas e Huawei.. Un’altra applicazione sviluppata da Imec è un ricevitore televisivo riconfigurabile che può utilizzare tutti gli standard del digitale terrestre: Dvb-T, Isdb-T e Atsc. La soluzione, basata sul processore Adres, consente di ridurre notevolmente l’area di silicio occupata rispetto a un Asic dedicato. Il ricevitore televisivo multistandard è stato sviluppato nel contesto di una collaborazione con Panasonic. In futuro, Imec intende estendere il concetto delle radio configurabili anche alle picocelle Internet, combinando nello stesso sistema le bande dei 5 GHz e dei 60 GHz.

Settore fotovoltaico
Molta carne al fuoco nel settore fotovoltaico, tema affrontato da Philip Pieters, Frederic Dross e Marc Meuris. Per quanto riguarda le celle in silicio cristallino, Imec ha sviluppato una tecnologia per realizzare le metallizzazioni in rame anziché in argento, materiale divenuto troppo costoso; nel nuovo processo, inoltre, il rame viene depositato tramite placcatura, evitando così un costoso passaggio litografico. Sempre allo scopo di ridurre i costi, Imec sta lavorando sull’impiego di spessori di silicio ultrasottili. La luce solare, infatti, viene assorbita solo dallo strato superficiale della cella, fino a una profondità di 40 micron, ma i processi di fabbricazione utilizzati oggi impongono uno spessore minimo di 160 micron per evitare di rendere il wafer troppo fragile. La soluzione studiata dall’istituto consiste nel realizzare celle sottilissime che vengono fissate sul vetro del modulo già all’inizio del processo di fabbricazione; tutte le fasi successive possono quindi essere effettuate a livello di modulo, senza problemi dovuti alla fragilità del wafer. Imec ha indagato diverse tecnologie alternative per depositare o incollare sul vetro un sottilissimo strato di silicio, fino a uno spessore minimo di 3 micron; i relatori non hanno però reso noto quale delle tecniche si sia rivelata più promettente. La riservatezza è comprensibile poiché nel settore fotovoltaico il processo coincide con il prodotto, in un certo senso. Mentre nel campo dei circuiti integrati diversi produttori di semiconduttori possono utilizzare lo stesso processo di fabbricazione senza entrare in competizione diretta tra loro, nel caso del fotovoltaico le prestazioni fondamentali della cella dipendono direttamente dal processo di fabbricazione e quindi la ricerca pre-competitiva ha spazi più ridotti. Un altro fronte su cui Imec è impegnata è la ricerca sui materiali alternativi per la realizzazione di celle fotovoltaiche a film sottile, una tecnologia attualmente poco utilizzata ma destinata a svilupparsi perché potenzialmente più economica rispetto al silicio cristallino. Uno dei materiali più promettenti in questo campo è il Cigs (rame-indio-gallio-selenio), ma l’indio è un elemento raro e l’intera produzione mondiale non sarebbe sufficiente a sostenere lo sviluppo del settore. Tra i possibili materiali alternativi, l’istituto sta studiando i Czts (rame-zinco-stagno-selenio, oppure rame-zinco-stagno-zolfo), che però presentano ancora varie criticità. Progressi si registrano anche nel campo del fotovoltaico organico, dove tra le altre cose Imec sta studiando celle comprendenti diversi strati attivi per allargare lo spettro delle frequenze luminose convertibili in energia elettrica. Ancora in campo energetico, i ricercatori di Lovanio stanno conducendo indagini sulle batterie a film sottile e sui supercondensatori con substrati nanostrutturati. L’istituto, inoltre, ha già messo a punto processi per realizzare semiconduttori di potenza e Led in nitruro di gallio su wafer di silicio da 200 millimetri.

Radio a impulsi su banda ultra-larga
Imec ha sviluppato una soluzione IR-Uwb (Impulse Radio-Ultra Wide Band) rivolta in primo luogo ad applicazioni come lo streaming audio tra un player multimediale e una cuffia, ma anche alle reti di sensori biomedici da indossare. Come ha ricordato Kathleen Philips, la tecnologia della radio a impulsi su banda ultra-larga non è nuova; è infatti già utilizzata in campo militare per la sua alta affidabilità e immunità alle intercettazioni. Imec, che ha sviluppato un sistema operante nella banda 6-10 GHz, ha invece messo a frutto altri vantaggi di questa soluzione: il basso consumo (in ricezione, meno di 6 milliwatt per una velocità di 1 megabit al secondo), l’ingombro contenuto (l’alta frequenza consente di ridurre le dimensioni dell’antenna), la possibilità di operare al di fuori dell’ormai affollatissima banda Ism a 2,4 GHz, l’immunità al fenomeno del “fading” (l’attenuazione momentanea del livello del segnale). La soluzione sviluppata da Imec comprende i chip necessari per realizzare il trasmettitore e il ricevitore. Quest’ultimo, ha spiegato Philips, si accende soltanto per il tempo necessario a ricevere l’impulso e poi rimane spento fino all’arrivo dell’impulso successivo. Secondo Imec la radio IR-Uwb è superiore rispetto a tutte le altre soluzioni utilizzabili per la trasmissione a breve raggio: WiFi, Bluetooth (compresa la versione LE), ZigBee e anche rispetto all’induzione magnetica utilizzata negli apparecchi acustici. I vantaggi più evidenti riguardano la riduzione dei consumi: nel caso del collegamento wireless tra uno smartphone e una cuffia, la durata delle batterie - rispetto alla soluzione Bluetooth - aumenta di tre volte per il primo dispositivo e di cinque volte per il secondo.

Ottica digitale
Proseguono le ricerche anche sul fronte delle applicazioni ottiche, indicate dall’espressione “ottica digitale”. L’idea, in sintesi, consiste nel sostituire tutti gli elementi in vetro (le lenti, i filtri tradizionali ecc.) con dispositivi a microspecchi Mems. Tra gli obiettivi di Imec è compresa la realizzazione di filtri per l’imaging iperspettrale (cioè per l’acquisizione di uno spettro che comprende – oltre alla luce visibile – anche ultravioletti e infrarossi) e la sostituzione degli ingombranti obiettivi utilizzati dalle macchine fotografiche reflex. Francesco Pessolano ha spiegato infatti che in queste applicazioni l’uso dei microspecchi consente di ridurre notevolmente i costi e gli ingombri. I primi prototipi dei dispositivi rivolti all’ottica digitale sono stati realizzati nel dicembre del 2011. L’istituto sta inoltre indagando le possibili applicazioni dei Mems nel campo della televisione tridimensionale basata su ologrammi; in questo caso l’idea consiste nel realizzare microspecchi dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda della luce, così da poter creare fenomeni di interferenza. Date le dimensioni, questi dispositivi sono indicati con la sigla Nems (Nano Electro-Mechanical Systems).

Ulteriori novità
Un cenno, infine, ad altre novità riguardanti l’attività di Imec. Per completare la panoramica sui filoni di ricerca ricordiamo che l’istituto belga ha recentemente realizzato un transistor bipolare a eterogiunzione in SiGe:C caratterizzato da una frequenza massima di 450 gigahertz, con possibili applicazioni nei radar per autoveicoli. In collaborazione con la danese Delta, inoltre, Imec ha realizzato un elettrocardiografo in forma di cerotto, dotato di radio Bluetooth Low Energy. Tra le altre innovazioni recenti sono compresi il prototipo di un “naso elettronico” da integrare negli smartphone e il primo microprocessore plastico, un dispositivo a 8 bit con clock a 6 hertz. Quest’ultimo prototipo comprende quattromila transistor in film sottile organico, realizzati direttamente su un foglio di materiale plastico. A un livello molto più generale, Imec continua ovviamente a dedicare notevole impegno anche alla riduzione delle geometrie di processo; su questo fronte va ricordato che nella prima metà del 2011 l’istituto ha installato nelle proprie clean room il nuovo sistema Asml per la litografia a raggi ultravioletti. A livello applicativo, invece, va citato lo sviluppo di una soluzione per i sistemi di monitoraggio della pressione dei pneumatici, già obbligatori negli Usa e in futuro anche in Europa. Le innovazioni proposte dai ricercatori di Lovanio riguardano ottimizzazioni del sistema e soprattutto l’alimentazione tramite “energy harvesting”, che consente di fare a meno della batteria. Il dispositivo utilizzato a questo scopo è un Mems piezoelettrico che converte in energia gli urti a cui è sottoposto lo pneumatico. Per quanto riguarda la struttura dell’istituto va ricordata la recente apertura di sedi a Taiwan e in India, paese in cui Imec ha anche dato vita a una partnership con Wipro. L’11 ottobre, infine, ha avuto luogo la cerimonia di posa della prima pietra della nuova torre di sedici piani che ospiterà nuovi uffici e nuovi laboratori di Imec. All’evento hanno preso parte la vicepresidente del governo delle Fiandre e il sindaco di Lovanio.

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