新研究展示了薄膜電子學(xué)在柔性芯片設計中的潛力

三個(gè)6502微處理器，從左到右：Si CMOS 6502芯片、flex 6502 LTPS芯片和flex 6502 IGZO芯片。

傳統硅芯片的大規模生產(chǎn)依賴(lài)于成功的商業(yè)模式，即擁有大型“半導體制造廠(chǎng)”或“晶圓廠(chǎng)”。庫倫大學(xué)和imec的新研究表明，這種“晶圓廠(chǎng)”模式也可以應用于柔性薄膜電子領(lǐng)域。采用這種方法將為該領(lǐng)域的創(chuàng )新帶來(lái)巨大推動(dòng)。

硅半導體已經(jīng)成為計算機時(shí)代的“石油”，這也是最近芯片短缺危機所證明的。然而，傳統硅芯片的一個(gè)缺點(diǎn)是它們不具有機械柔韌性。

另一方面，柔性電子領(lǐng)域采用一種另類(lèi)半導體技術(shù)推動(dòng)發(fā)展：薄膜晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)TFT。TFT可用于的應用領(lǐng)域眾多：從可穿戴健康貼片和神經(jīng)探頭到數字微流控和機器人界面，再到可彎曲顯示器和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）電子設備。

TFT技術(shù)已經(jīng)發(fā)展，但與傳統半導體技術(shù)不同的是，利用它在各種應用中的潛力幾乎沒(méi)有被充分利用。事實(shí)上，目前TFT主要是用于大規模生產(chǎn)，目的是將其集成到智能手機、筆記本電腦和智能電視的顯示器中——在那里它們用于單獨控制像素。

這限制了夢(mèng)想著(zhù)在柔性微芯片中使用TFT并提出創(chuàng )新TFT應用的芯片設計師的自由?！斑@個(gè)領(lǐng)域可以從類(lèi)似于傳統芯片行業(yè)的晶圓廠(chǎng)商業(yè)模式中獲益巨大，”庫倫大學(xué)Diepenbeek校區新興技術(shù)、系統和安全部門(mén)的教授克里斯·米尼說(shuō)道，他還是imec的客座教授。

晶圓廠(chǎng)商業(yè)模式全球微芯片市場(chǎng)的核心是晶圓廠(chǎng)商業(yè)模式。在這種商業(yè)模式中，大型半導體制造工廠(chǎng)或晶圓廠(chǎng)（如來(lái)自臺灣的臺積電）專(zhuān)注于在硅晶圓上大規模生產(chǎn)芯片。然后，這些芯片由晶圓廠(chǎng)商的客戶(hù)——即設計并訂購芯片的公司——集成到特定的應用程序中。借助這種商業(yè)模式，后者公司可以利用復雜的半導體制造技術(shù)設計他們需要的芯片。

米尼的團隊現在表明，這種商業(yè)模式在薄膜電子領(lǐng)域也是可行的。他們設計了一個(gè)特定的基于TFT的微處理器，并在兩個(gè)晶圓廠(chǎng)中進(jìn)行了生產(chǎn)，然后在他們的實(shí)驗室進(jìn)行了測試，取得了成功。同一芯片根據兩種不同的TFT技術(shù)（使用不同的基板）進(jìn)行了生產(chǎn)，這兩種技術(shù)都是主流的。他們的研究論文發(fā)表在《自然》雜志上。

多項目方法米尼和他的同事們建造的微處理器是標志性的MOS 6502。今天，這款芯片是一件博物館展品，但在70年代，它是第一臺蘋(píng)果、康柏和任天堂電腦的驅動(dòng)器。該團隊在硅基底（使用非晶態(tài)銦鎵鋅氧化物）和基板上（使用低溫多晶硅）開(kāi)發(fā)了6502芯片。在這兩種情況下，芯片是與其他芯片或“項目”一起在基板上制造的。這種多項目方法使晶圓廠(chǎng)能夠根據設計師的需求在單個(gè)基板上生產(chǎn)不同的芯片。

米尼的團隊制作的芯片厚度不到30微米，比人類(lèi)頭發(fā)還細。這使得它非常適合用于醫療應用，如可穿戴貼片。這種超薄可穿戴設備可以用于制作心電圖或肌電圖，以研究心臟和肌肉的狀況。它們感覺(jué)就像一張貼紙一樣，而基于硅芯片的貼片總是感覺(jué)凸起。

盡管6502微處理器的性能與現代芯片不可比擬，但這項研究表明，柔性芯片也可以像傳統芯片行業(yè)中那樣，采用多項目方法進(jìn)行設計和生產(chǎn)。米尼總結道：“我們不會(huì )與基于硅的芯片競爭，我們希望通過(guò)柔性薄膜電子學(xué)刺激和加速創(chuàng )新?！?/p>