新研究展示了薄膜電子學(xué)在柔性芯片設(shè)計(jì)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(tǒng)硅芯片的大規(guī)模生產(chǎn)依賴于成功的商業(yè)模式，即擁有大型“半導(dǎo)體制造廠”或“晶圓廠”。庫(kù)倫大學(xué)和imec的新研究表明，這種“晶圓廠”模式也可以應(yīng)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(dǎo)體已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)時(shí)代的“石油”，這也是最近芯片短缺危機(jī)所證明的。然而，傳統(tǒng)硅芯片的一個(gè)缺點(diǎn)是它們不具有機(jī)械柔韌性。

另一方面，柔性電子領(lǐng)域采用一種另類(lèi)半導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域眾多：從可穿戴健康貼片和神經(jīng)探頭到數(shù)字微流控和機(jī)器人界面，再到可彎曲顯示器和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）電子設(shè)備。

TFT技術(shù)已經(jīng)發(fā)展，但與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)不同的是，利用它在各種應(yīng)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(guī)模生產(chǎn)，目的是將其集成到智能手機(jī)、筆記本電腦和智能電視的顯示器中——在那里它們用于單獨(dú)控制像素。

這限制了夢(mèng)想著在柔性微芯片中使用TFT并提出創(chuàng)新TFT應(yīng)用的芯片設(shè)計(jì)師的自由?！斑@個(gè)領(lǐng)域可以從類(lèi)似于傳統(tǒng)芯片行業(yè)的晶圓廠商業(yè)模式中獲益巨大，”庫(kù)倫大學(xué)Diepenbeek校區(qū)新興技術(shù)、系統(tǒng)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。

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

米尼的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)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?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)特定的基于TFT的微處理器，并在兩個(gè)晶圓廠中進(jìn)行了生產(chǎn)，然后在他們的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，取得了成功。同一芯片根據(jù)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(xiàng)目方法米尼和他的同事們建造的微處理器是標(biāo)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(tái)蘋(píng)果、康柏和任天堂電腦的驅(qū)動(dòng)器。該團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目”一起在基板上制造的。這種多項(xiàng)目方法使晶圓廠能夠根據(jù)設(shè)計(jì)師的需求在單個(gè)基板上生產(chǎn)不同的芯片。

米尼的團(tuán)隊(duì)制作的芯片厚度不到30微米，比人類(lèi)頭發(fā)還細(xì)。這使得它非常適合用于醫(yī)療應(yīng)用，如可穿戴貼片。這種超薄可穿戴設(shè)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(xiàn)代芯片不可比擬，但這項(xiàng)研究表明，柔性芯片也可以像傳統(tǒng)芯片行業(yè)中那樣，采用多項(xiàng)目方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。米尼總結(jié)道：“我們不會(huì)與基于硅的芯片競(jìng)爭(zhēng)，我們希望通過(guò)柔性薄膜電子學(xué)刺激和加速創(chuàng)新?！?/p>