Flexibele chipontwerp ontgrendeld door dunfilm-elektronica

Electronics & Sensors INSIDER

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

Silicium-semiconductors zijn de 'olie' van de computerleeftijd geworden, zoals recentelijk gedemonstreerd door de chiptekortcrisis. Echter, een van de nadelen van conventionele siliciumchips is dat ze niet mechanisch flexibel zijn. Aan de andere kant heeft u het veld van flexibele elektronica, gedreven door een alternatieve semiconductortechnologie: de dunfilm-transistor (TFT). De toepassingen waarin TFTs gebruikt kunnen worden, zijn legioen: van draagbare gezondheidszorg-patches en neuroprobes over digitale microfluidica en robotinterfaces tot buigbare displays en Internet of Things (IoT) elektronica.

TFT-technologie heeft goed geëvolueerd, maar in tegenstelling tot conventionele semiconductortechnologie is het potentieel om het in diverse toepassingen te gebruiken nauwelijks benut. In feite worden TFTs momenteel voornamelijk in massa geproduceerd met het doel ze te integreren in displays van smartphones, laptops en slimme TV's — waar ze gebruikt worden om pixels individueel te controleren. Dit beperkt de vrijheid van chipontwerpers die dromen van TFTs in flexibele microchips te gebruiken om innovatieve, TFT-gebaseerde toepassingen te bedenken. "Dit veld kan enorm baat hebben bij een foundry business model vergelijkbaar met dat van de conventionele chipindustrie," zei Kris Myny, professor aan KU Leuven's Emerging technologies, Systems and Security unit in Diepenbeek, en gastprofessor aan Interuniversity Microelectronics Centre (imec).

In het hart van de wereldwijde microchipmarkt zit het zogenaamde foundry-model. In dit bedrijfsmodel richten grote semiconductorfabricageplanten (foundries) zich op de massaproductie van chips op siliciumwafers. Deze worden dan gebruikt door de foundries' klanten — de bedrijven die de chips ontwerpen en bestellen — om ze in specifieke toepassingen te integreren. Dankzij dit bedrijfsmodel hebben deze bedrijven toegang tot complexe semiconductorfabricage om de chips te ontwerpen die ze nodig hebben.

Myny's groep heeft aangetoond dat zo'n bedrijfsmodel ook haalbaar is in het veld van dunfilm-elektronica. Ze ontwierpen een specifieke TFT-gebaseerde microprocessor, en lieten hem produceren in twee foundries, waarna ze hem met succes in hun lab testten. Dezelfde chip werd in twee versies geproduceerd, gebaseerd op twee afzonderlijke TFT-technologieën (met verschillende substraten) die beide mainstream zijn. Hun onderzoeksartikel is gepubliceerd in Nature.

De microprocessor die Myny en zijn collega's bouwden, is de iconische MOS 6502. Vandaag is deze chip een 'museumstuk', maar in de jaren 70 was het de driver van de eerste Apple, Commodore en Nintendo computers. De groep ontwikkelde de 6502 chip op een wafer (met amorfe indium-gallium-zink-oxide) en op een plaat (met laag-temperatuur polykristallijn silicium). In beide gevallen werden de chips geproduceerd op het substraat samen met andere chips (projecten). Deze multi-project benadering stelt foundries in staat om verschillende chips on-demand van ontwerpers op enkele substraten te produceren.

De chip die Myny's groep maakte, is minder dan 30 micrometer dik, minder dan een menselijk haar. Dat maakt het ideaal voor, bijvoorbeeld, medische toepassingen zoals draagbare patches. Zulke ultra-dunne wearables kunnen gebruikt worden om electrocardiogrammen of electromyogrammen te maken, om de toestand van het hart en spieren te bestuderen. Ze zouden voelen alsof het een plakje is, terwijl patches met een silicium-gebaseerde chip altijd knobbelig voelen.

Hoewel de prestaties van de 6502 microprocessor niet vergelijkbaar zijn met moderne, demonstreert dit onderzoek dat flexibele chips ontworpen en geproduceerd kunnen worden in een multi-project benadering, analoog aan hoe dit in de conventionele chipindustrie gebeurt. Myny concludeert: "We zullen niet concurreren met silicium-gebaseerde chips, we willen innovatie op basis van flexibele, dunfilm-elektronica stimuleren en versnellen."

Bron