Flexibles Chipdesign durch Dünnschicht-Elektronik: Foundry-Modell für TFTs

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

Silizium vs. Dünnschicht: Kompromiss zwischen Leistung und Flexibilität

Silizium-Halbleiter sind zum „Öl“ des Computerzeitalters geworden, wie kürzlich die Chip-Krise demonstrierte. Ein Nachteil konventioneller Siliziumchips ist jedoch, dass sie nicht mechanisch flexibel sind. Auf der anderen Seite gibt es das Feld der flexiblen Elektronik, getrieben von einer alternativen Halbleitertechnologie: dem Dünnschichttransistor (TFT). Die Anwendungen, in denen TFTs genutzt werden können, sind legion: von tragbaren Healthcare-Patches und Neuroproben über digitale Mikrofluidik und Roboter-Schnittstellen bis zu biegsamen Displays und Internet-of-Things (IoT) Elektronik.

Foundry-Modell für TFTs: Mehr Freiheit für Chipdesigner

TFT-Technologie hat sich gut entwickelt, aber im Gegensatz zur konventionellen Halbleitertechnologie wurde das Potenzial, sie in verschiedenen Anwendungen zu nutzen, kaum ausgeschöpft. Tatsächlich werden TFTs derzeit hauptsächlich massenproduziert, um sie in Displays von Smartphones, Laptops und Smart-TVs zu integrieren – wo sie einzelne Pixel steuern. Dies schränkt die Freiheit von Chipdesignern ein, die davon träumen, TFTs in flexiblen Mikrochips für innovative, TFT-basierte Anwendungen zu nutzen. „Dieses Feld kann enorm von einem Foundry-Geschäftsmodell profitieren, ähnlich dem der konventionellen Chipindustrie“, sagte Kris Myny, Professor an der KU Leuven's Emerging Technologies, Systems and Security Unit in Diepenbeek und Gastprofessor am Interuniversity Microelectronics Centre (imec).

Das Foundry-Modell: Massenfertigung für Designer

Im Herzen des weltweiten Mikrochipmarkts steht das sogenannte Foundry-Modell. In diesem Geschäftsmodell fokussieren große Halbleiterfertigungsanlagen (Foundries) auf die Massenproduktion von Chips auf Siliziumwafern. Diese werden dann von den Foundry-Kunden – den Unternehmen, die Chips designen und bestellen – genutzt, um sie in spezifische Anwendungen zu integrieren. Dank dieses Geschäftsmodells haben diese Unternehmen Zugang zu komplexer Halbleiterfertigung, um die Chips zu designen, die sie brauchen.

Mynys Gruppe hat gezeigt, dass ein solches Geschäftsmodell auch im Bereich der Dünnschicht-Elektronik machbar ist. Sie designeten einen spezifischen TFT-basierten Mikroprozessor und ließen ihn in zwei Foundries fertigen, woraufhin sie ihn erfolgreich in ihrem Labor testeten. Derselbe Chip wurde in zwei Versionen produziert, basierend auf zwei getrennten TFT-Technologien (mit unterschiedlichen Substraten), die beide Mainstream sind. Ihr Forschungspapier wurde in Nature veröffentlicht.

Der 6502-Mikroprozessor: Museumsstück als Demonstrator

Der Mikroprozessor, den Myny und seine Kollegen bauten, ist der ikonische MOS 6502. Heute ist dieser Chip ein „Museumsstück“, aber in den 70ern war er der Treiber der ersten Apple-, Commodore- und Nintendo-Computer. Die Gruppe entwickelte den 6502-Chip auf einem Wafer (mit amorphem Indium-Gallium-Zink-Oxid) und auf einer Platte (mit niedrigtemperatur-polykristallinem Silizium). In beiden Fällen wurden die Chips auf dem Substrat zusammen mit anderen Chips (Projekten) gefertigt. Dieser Multi-Projekt-Ansatz ermöglicht es Foundries, verschiedene Chips auf Anfrage von Designern auf einzelnen Substraten zu produzieren.

Ultra-dünn: Weniger als 30 Mikrometer – ideal für medizinische Patches

Der von Mynys Gruppe hergestellte Chip ist weniger als 30 Mikrometer dick, dünner als ein menschliches Haar. Das macht ihn ideal für beispielsweise medizinische Anwendungen wie tragbare Patches. Solche ultra-dünnen Wearables können für Elektrokardiogramme oder Elektromyogramme genutzt werden, um den Zustand von Herz und Muskeln zu untersuchen. Sie würden sich wie ein Aufkleber anfühlen, während Patches mit siliziumbasierten Chips immer klobig wirken.

Obwohl die Leistung des 6502-Mikroprozessors nicht mit modernen vergleichbar ist, demonstriert diese Forschung, dass flexible Chips im Multi-Projekt-Ansatz designed und produziert werden können – analog zur konventionellen Chipindustrie. Myny schließt: „Wir werden nicht mit siliziumbasierten Chips konkurrieren, wir wollen Innovation basierend auf flexibler Dünnschicht-Elektronik stimulieren und beschleunigen.“

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