Flinterdunne flexibele chips kunnen mogelijk vlotter worden geproduceerd

De groep ontwikkelde de 6502-chip in een wafer- gebaseerde ‘foundry’ (rechts) en een display- plaat-gebaseerde ‘foundry’ (midden). | © KU Leuven - imec

Silicium-halfgeleiders zijn de ‘olie’ van het computertijdperk geworden, wat zich recent nog liet voelen door het tekort aan chips. Een van de nadelen van conventionele siliciumchips is echter dat ze mechanisch niet flexibel zijn. Daartegenover staat het gebied van flexibele elektronica, dat wordt aangedreven door een alternatieve halfgeleidertechnologie: de dunnefilmtransistor, of TFT. De mogelijke toepassingen van TFT’s zijn legio: van slimme pleisters, ‘neuroprobes’ en lab-on-a-chip, tot buigbare displays en IoT-elektronica (Internet of Things).

De ontwikkeling van TFT-technologie is vergevorderd, maar het potentieel van mogelijke toepassingen blijft vooralsnog onderbenut. Momenteel worden TFT’s voornamelijk op grote schaal geproduceerd met als doel ze te integreren in displays van smartphones, laptops en smart-tv’s, waar ze worden gebruikt om pixels individueel aan te sturen. Dit beperkt de vrijheid van chipontwerpers die dromen van het gebruik van TFT’s in flexibele microchips en de ontwikkeling van innovatieve, op TFT-gebaseerde toepassingen. “Dit gebied zou enorm gebaat zijn bij een ‘foundry’-bedrijfsmodel vergelijkbaar met dat van de conventionele chipindustrie,” zegt professor Kris Myny (KU Leuven-onderzoeksgroep ES&S-COSIC, Campus Diepenbeek / imec).

TFT-gebaseerde microprocessor
Het kloppend hart van de wereldwijde microchipmarkt is het zogenaamde ‘foundry’-model. In dit bedrijfsmodel richten grote producenten van halfgeleiders of ‘foundries’ (zoals TSMC uit Taiwan) zich op de massaproductie van chips op siliciumwafers. Deze worden vervolgens gebruikt door de klanten van de ‘foundries’ – de bedrijven die de chips ontwerpen en bestellen – om ze te integreren in specifieke toepassingen. Dankzij dit bedrijfsmodel hebben deze bedrijven toegang tot complexe halfgeleiderfabricage om de chips te ontwerpen die ze nodig hebben.

Samen met collega-onderzoekers Hikmet Çeliker en Wim Dehaene heeft Myny nu aangetoond dat zo’n bedrijfsmodel ook toepasbaar is op de productie van dunnefilmelektronica. Ze hebben een specifieke op TFT-gebaseerde microprocessor ontworpen en laten produceren in twee ‘foundries’, waarna ze deze met succes hebben getest. Hun onderzoekspaper is gepubliceerd in Nature.

Innovatie versnellen
De microprocessor die de onderzoekers hebben gebouwd, is de iconische MOS 6502. Tegenwoordig is deze chip een ‘museumstuk’, maar in de jaren ’70 was het de drijvende kracht in de eerste Apple-, Commodore- en Nintendo-computers. De groep ontwikkelde de 6502-chip in een wafer-gebaseerde ‘foundry’ en een display-plaat-gebaseerde ‘foundry’. In beide gevallen werden de chips op het substraat vervaardigd samen met andere chips, de zogenaamde ‘multiproject’-methode.

“Het doel is niet om te concurreren met op silicium-halfgeleiders, we willen innovatie stimuleren en versnellen door verdere ontwikkeling en toepassing van flexibele, dunnefilmelektronica.”

Kris Myny (KU Leuven – Campus Diepenbeek)

De experimentele chip is minder dan 30 micrometer dik (dunner dan een mensenhaar). Eén van de potentiële toepassingen is een ultradunne, medische wearable, bijvoorbeeld om de activiteit van het hart of de spieren te meten. Ze zouden aanvoelen als een sticker, wat niet haalbaar is met een conventionele chip op basis van silicium.

Hoewel de prestaties van de 6502-microprocessor niet vergelijkbaar zijn met moderne exemplaren, toont dit onderzoek aan dat de ‘multiproject’-methode ook mogelijk is voor het ontwerp en de productie van flexibele chips, analoog aan de werkwijze in de conventionele chipindustrie. Kris Myny concludeert: “Het doel is niet om te concurreren met op silicium-halfgeleiders, we willen innovatie stimuleren en versnellen door verdere ontwikkeling en toepassing van flexibele, dunnefilmelektronica.”