新研究展示了薄膜電子學在柔性芯片設計中的潛力

三個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依賴于成功的商業模式，即擁有大型“半導體制造廠”或“晶圓廠”。庫倫大學和imec的新研究表明，這種“晶圓廠”模式也可以應用于柔性薄膜電子領域。采用這種方法將為該領域的創新帶來巨大推動。

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

另一方面，柔性電子領域采用一種另類半導體技術推動發展：薄膜晶體管，簡稱TFT。TFT可用于的應用領域眾多：從可穿戴健康貼片和神經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網（IoT）電子設備。

TFT技術已經發展，但與傳統半導體技術不同的是，利用它在各種應用中的潛力幾乎沒有被充分利用。事實上，目前TFT主要是用于大規模生產，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。

這限制了夢想著在柔性微芯片中使用TFT并提出創新TFT應用的芯片設計師的自由。“這個領域可以從類似于傳統芯片行業的晶圓廠商業模式中獲益巨大，”庫倫大學Diepenbeek校區新興技術、系統和安全部門的教授克里斯·米尼說道，他還是imec的客座教授。

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

米尼的團隊現在表明，這種商業模式在薄膜電子領域也是可行的。他們設計了一個特定的基于TFT的微處理器，并在兩個晶圓廠中進行了生產，然后在他們的實驗室進行了測試，取得了成功。同一芯片根據兩種不同的TFT技術（使用不同的基板）進行了生產，這兩種技術都是主流的。他們的研究論文發表在《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，它是第一臺蘋果、康柏和任天堂電腦的驅動器。該團隊在硅基底（使用非晶態銦鎵鋅氧化物）和基板上（使用低溫多晶硅）開發了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能夠根據設計師的需求在單個基板上生產不同的芯片。

米尼的團隊制作的芯片厚度不到30微米，比人類頭發還細。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。它們感覺就像一張貼紙一樣，而基于硅芯片的貼片總是感覺凸起。

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中那樣，采用多項目方法進行設計和生產。米尼總結道：“我們不會與基于硅的芯片競爭，我們希望通過柔性薄膜電子學刺激和加速創新。”