Erschließung flexibler Chipdesigns durch Dünnschichtelektronik

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Die Gruppe entwickelte den 6502-Chip auf einem Wafer (rechts) und auf einer Platte (Mitte). (Bild:© KU Leuven-imec)

Siliziumhalbleiter sind zum „Öl“ des Computerzeitalters geworden, wie kürzlich die Chip-Knappheitskrise gezeigt hat. Ein Nachteil herkömmlicher Siliziumchips besteht jedoch darin, dass sie mechanisch nicht flexibel sind. Auf der anderen Seite gibt es den Bereich der flexiblen Elektronik, der von einer alternativen Halbleitertechnologie angetrieben wird:dem Dünnschichttransistor (TFT). Die Anwendungen, in denen TFTs eingesetzt werden können, sind zahlreich:von tragbaren Gesundheitspflastern und Neurosonden über digitale Mikrofluidik und Roboterschnittstellen bis hin zu biegsamen Displays und Elektronik für das Internet der Dinge (IoT).

Die TFT-Technologie hat sich gut entwickelt, aber im Gegensatz zur herkömmlichen Halbleitertechnologie ist das Potenzial für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen kaum ausgeschöpft. Tatsächlich werden TFTs derzeit hauptsächlich in Massenproduktion hergestellt, um sie in Displays von Smartphones, Laptops und Smart-TVs zu integrieren – wo sie zur individuellen Steuerung von Pixeln dienen. Dies schränkt die Freiheit von Chipdesignern ein, die davon träumen, TFTs in flexiblen Mikrochips zu verwenden, um innovative, TFT-basierte Anwendungen zu entwickeln. „Dieser Bereich kann enorm von einem Foundry-Geschäftsmodell profitieren, das dem der konventionellen Chipindustrie ähnelt“, sagte Kris Myny, Professor an der Abteilung „Emerging Technologies, Systems and Security“ der KU Leuven in Diepenbeek und Gastprofessor am Interuniversity Microelectronics Center (imec).

Das Herzstück des weltweiten Mikrochipmarktes ist das sogenannte Foundry-Modell. Bei diesem Geschäftsmodell konzentrieren sich große Halbleiterfabriken (Foundries) auf die Massenproduktion von Chips auf Siliziumwafern. Diese werden dann von den Kunden der Foundries – den Unternehmen, die die Chips entwerfen und bestellen – genutzt, um sie in bestimmte Anwendungen zu integrieren. Dank dieses Geschäftsmodells haben diese Unternehmen Zugang zur komplexen Halbleiterfertigung, um die benötigten Chips zu entwickeln.

Mynys Gruppe hat gezeigt, dass ein solches Geschäftsmodell auch im Bereich der Dünnschichtelektronik realisierbar ist. Sie entwarfen einen speziellen TFT-basierten Mikroprozessor, ließen ihn in zwei Gießereien produzieren und testeten ihn anschließend erfolgreich in ihrem Labor. Derselbe Chip wurde in zwei Versionen hergestellt, die auf zwei separaten TFT-Technologien (mit unterschiedlichen Substraten) basieren, die beide Mainstream sind. Ihre Forschungsarbeit wurde in Nature veröffentlicht .

Der Mikroprozessor, den Myny und seine Kollegen gebaut haben, ist der legendäre MOS 6502. Heute ist dieser Chip ein „Museumsstück“, aber in den 70er Jahren war er der Treiber der ersten Apple-, Commodore- und Nintendo-Computer. Die Gruppe entwickelte den 6502-Chip auf einem Wafer (unter Verwendung von amorphem Indium-Gallium-Zinkoxid) und auf einer Platte (unter Verwendung von polykristallinem Niedertemperatursilizium). In beiden Fällen wurden die Chips zusammen mit anderen Chips (Projekten) auf dem Substrat hergestellt. Dieser Multi-Projekt-Ansatz ermöglicht es Gießereien, je nach Bedarf unterschiedliche Chips auf einzelnen Substraten herzustellen.

Der von Mynys Gruppe hergestellte Chip ist weniger als 30 Mikrometer dick, weniger als ein menschliches Haar. Dadurch eignet es sich beispielsweise ideal für medizinische Anwendungen wie tragbare Pflaster. Mit solchen ultradünnen Wearables können Elektrokardiogramme oder Elektromyogramme erstellt werden, um den Zustand des Herzens und der Muskeln zu untersuchen. Sie würden sich wie ein Aufkleber anfühlen, während sich Patches mit einem Chip auf Silikonbasis immer knubbelig anfühlen.

Obwohl die Leistung des 6502-Mikroprozessors nicht mit modernen Mikroprozessoren vergleichbar ist, zeigt diese Untersuchung, dass flexible Chips in einem Multiprojektansatz entworfen und hergestellt werden können, analog zu der Art und Weise, wie dies in der herkömmlichen Chipindustrie geschieht. Myny kommt zu dem Schluss:„Wir werden nicht mit Chips auf Siliziumbasis konkurrieren, wir wollen Innovationen auf der Grundlage flexibler Dünnschichtelektronik anregen und beschleunigen.“

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