Создание гибкой конструкции микросхем с помощью тонкопленочной электроники

Электроника и датчики INSIDER

Группа разработала чип 6502 на пластине (справа) и пластине (в центре). (Изображение:© КУ Левен-имек)

Кремниевые полупроводники стали «нефтью» компьютерной эпохи, о чем недавно продемонстрировал кризис нехватки чипов. Однако одним из недостатков обычных кремниевых чипов является то, что они не обладают механической гибкостью. С другой стороны, есть область гибкой электроники, в которой используется альтернативная полупроводниковая технология:тонкопленочный транзистор (TFT). Применений, в которых можно использовать TFT, множество:от носимых медицинских пластырей и нейрозондов, цифровой микрофлюидики и роботизированных интерфейсов до гибких дисплеев и электроники Интернета вещей (IoT).

Технология TFT хорошо развита, но, в отличие от традиционной полупроводниковой технологии, потенциал ее использования в различных приложениях практически не используется. Фактически, TFT в настоящее время производятся в основном массово с целью их интеграции в дисплеи смартфонов, ноутбуков и смарт-телевизоров, где они используются для индивидуального управления пикселями. Это ограничивает свободу разработчиков микросхем, которые мечтают использовать TFT в гибких микрочипах, и создавать инновационные приложения на основе TFT. «Эта область может получить огромную выгоду от бизнес-модели литейного производства, аналогичной модели обычного производства микросхем», — сказал Крис Майни, профессор отделения новых технологий, систем и безопасности Левенского университета в Дипенбеке и приглашенный профессор Межуниверситетского центра микроэлектроники (IMEC).

В основе мирового рынка микрочипов лежит так называемая литейная модель. В этой бизнес-модели крупные заводы по производству полупроводников (литейные заводы) ориентированы на массовое производство чипов на кремниевых пластинах. Затем они используются клиентами литейных производств — компаниями, которые разрабатывают и заказывают чипы — для интеграции их в конкретные приложения. Благодаря этой бизнес-модели эти компании имеют доступ к сложному производству полупроводников для разработки необходимых им чипов.

Группа Майни показала, что такая бизнес-модель жизнеспособна и в области тонкопленочной электроники. Они разработали специальный микропроцессор на базе TFT и произвели его на двух литейных заводах, после чего успешно протестировали его в своей лаборатории. Один и тот же чип был выпущен в двух версиях, основанных на двух отдельных технологиях TFT (с использованием разных подложек), которые обе являются основными. Их исследовательская статья опубликована в журнале Nature. .

Микропроцессор, построенный Майни и его коллегами, — это культовый MOS 6502. Сегодня этот чип является «музейным экспонатом», но в 70-х годах он был драйвером первых компьютеров Apple, Commodore и Nintendo. Группа разработала чип 6502 на пластине (с использованием аморфного оксида индия-галлия-цинка) и на пластине (с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния). В обоих случаях чипы изготавливались на подложке совместно с другими чипами (проектами). Такой многопроектный подход позволяет литейным заводам производить различные чипы по требованию дизайнеров на одной подложке.

Толщина чипа, изготовленного группой Майни, составляет менее 30 микрометров, что меньше человеческого волоса. Это делает его идеальным, например, для медицинских применений, таких как носимые пластыри. С помощью таких ультратонких носимых устройств можно делать электрокардиограммы или электромиограммы, изучать состояние сердца и мышц. На ощупь они будут напоминать наклейки, а патчи с кремниевым чипом всегда кажутся бугристыми.

Хотя производительность микропроцессора 6502 несопоставима с современными, это исследование показывает, что гибкие микросхемы можно проектировать и производить в рамках многопроектного подхода, аналогично тому, как это происходит в производстве обычных микросхем. Майни заключает:«Мы не будем конкурировать с кремниевыми чипами, мы хотим стимулировать и ускорять инновации, основанные на гибкой тонкопленочной электронике».

Источник