Flexibel chipontwerp mogelijk maken via dunnefilmelektronica

Elektronica en sensoren INSIDER

De groep ontwikkelde de 6502-chip op een wafer (rechts) en op een plaat (midden). (Image:© KU Leuven-imec)

Siliciumhalfgeleiders zijn de ‘olie’ van het computertijdperk geworden, zoals onlangs werd aangetoond door de chiptekortcrisis. Een van de nadelen van conventionele siliciumchips is echter dat ze mechanisch niet flexibel zijn. Aan de andere kant heb je het vakgebied van de flexibele elektronica, dat wordt aangestuurd door een alternatieve halfgeleidertechnologie:de dunnefilmtransistor (TFT). De toepassingen waarin TFT's kunnen worden gebruikt zijn legio:van draagbare gezondheidszorgpatches en neuroprobes over digitale microfluïdica en robotinterfaces tot buigbare displays en Internet of Things (IoT)-elektronica.

TFT-technologie heeft zich goed ontwikkeld, maar in tegenstelling tot conventionele halfgeleidertechnologie is het potentieel om het in verschillende toepassingen te gebruiken nauwelijks benut. In feite worden TFT's momenteel voornamelijk in massa geproduceerd met als doel ze te integreren in beeldschermen van smartphones, laptops en smart-tv's - waar ze worden gebruikt om pixels afzonderlijk te besturen. Dit beperkt de vrijheid van chipontwerpers die ervan dromen TFT's in flexibele microchips te gebruiken om innovatieve, op TFT gebaseerde toepassingen te bedenken. “Dit vakgebied kan enorm profiteren van een gieterij-businessmodel dat vergelijkbaar is met dat van de conventionele chipindustrie”, zegt Kris Myny, professor aan de afdeling Emerging Technologies, Systems and Security van de KU Leuven in Diepenbeek, en gastprofessor aan het Interuniversitair Micro-elektronicacentrum (imec).

De kern van de wereldwijde microchipmarkt wordt gevormd door het zogenaamde gieterijmodel. In dit bedrijfsmodel richten grote halfgeleiderfabrieken (gieterijen) zich op de massaproductie van chips op siliciumwafels. Deze worden vervolgens gebruikt door de klanten van de gieterijen – de bedrijven die de chips ontwerpen en bestellen – om ze in specifieke toepassingen te integreren. Dankzij dit bedrijfsmodel hebben deze bedrijven toegang tot complexe halfgeleiderproductie om de chips te ontwerpen die ze nodig hebben.

Myny’s groep heeft aangetoond dat een dergelijk bedrijfsmodel ook haalbaar is op het gebied van dunnefilmelektronica. Ze ontwierpen een specifieke op TFT gebaseerde microprocessor en lieten deze in twee gieterijen produceren, waarna ze deze met succes testten in hun laboratorium. Dezelfde chip werd in twee versies geproduceerd, gebaseerd op twee afzonderlijke TFT-technologieën (met verschillende substraten) die beide mainstream zijn. Hun onderzoekspaper is gepubliceerd in Nature .

De microprocessor die Myny en zijn collega’s bouwden is de iconische MOS 6502. Tegenwoordig is deze chip een ‘museumstuk’, maar in de jaren ’70 was hij de aansturing van de eerste Apple-, Commodore- en Nintendo-computers. De groep ontwikkelde de 6502-chip op een wafer (met behulp van amorf indium-gallium-zinkoxide) en op een plaat (met behulp van polykristallijn silicium op lage temperatuur). In beide gevallen werden de chips samen met andere chips (projecten) op het substraat vervaardigd. Dankzij deze aanpak met meerdere projecten kunnen gieterijen op aanvraag verschillende chips van ontwerpers op afzonderlijke substraten produceren.

De chip die Myny’s groep maakte is minder dan 30 micrometer dik, minder dan een mensenhaar. Dat maakt het ideaal voor bijvoorbeeld medische toepassingen zoals draagbare pleisters. Dergelijke ultradunne wearables kunnen worden gebruikt om elektrocardiogrammen of elektromyogrammen te maken, om de toestand van het hart en de spieren te bestuderen. Ze voelen aan als een sticker, terwijl patches met een chip op siliciumbasis altijd knobbelig aanvoelen.

Hoewel de prestaties van de 6502-microprocessor niet vergelijkbaar zijn met moderne microprocessors, toont dit onderzoek aan dat flexibele chips kunnen worden ontworpen en geproduceerd in een multi-projectaanpak, analoog aan de manier waarop dit gebeurt in de conventionele chipindustrie. Myny concludeert:“We gaan niet concurreren met op silicium gebaseerde chips, we willen innovatie op basis van flexibele dunnefilmelektronica stimuleren en versnellen.”

Bron