薄膜エレクトロニクスによるフレキシブルチップ設計の解放

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研究グループは、ウェハ上（右）とプレート上（中央）で6502チップを開発しました。（画像: © KU Leuven-imec）

シリコン半導体は、最近のチップ不足危機が示したように、コンピュータ時代の「石油」となりました。しかし、従来のシリコンチップの欠点の一つは、機械的に柔軟ではないことです。一方、フレキシブルエレクトロニクスの分野では、代替半導体技術である薄膜トランジスタ（TFT）が牽引役となっています。TFTが使用できるアプリケーションは多数あります：ウェアラブルヘルスケアパッチやニューロプローブ、デジタルマイクロフルイド、ロボットインターフェース、曲面ディスプレイ、モノのインターネット（IoT）エレクトロニクスなどです。

TFT技術は順調に進化してきましたが、従来の半導体技術とは異なり、さまざまなアプリケーションでの活用可能性はほとんど開拓されていません。実際、TFTは現在、主にスマートフォン、ノートパソコン、スマートテレビのディスプレイに統合する目的で大量生産されており、そこではピクセルを個別に制御するために使用されています。これは、TFTをフレキシブルマイクロチップに使用して革新的なTFTベースのアプリケーションを生み出そうと夢見るチップ設計者の自由を制限しています。「この分野は、従来のチップ業界と同様のファウンドリビジネスモデルから大きな恩恵を受けることができます」と、KU Leuvenの新興技術・システム・セキュリティユニット（ディーペンベーク）の教授であり、インターユニバーシティ・マイクロエレクトロニクスセンター（imec）の客員教授でもあるクリス・ミーニー氏は述べています。

世界のマイクロチップ市場の中心には、いわゆるファウンドリモデルがあります。このビジネスモデルでは、大規模な半導体製造プラント（ファウンドリ）がシリコンウェハ上でのチップ大量生産に注力します。これらはファウンドリのクライアント（チップを設計・注文する企業）によって使用され、特定のアプリケーションに統合されます。このビジネスモデルのおかげで、これらの企業は複雑な半導体製造にアクセスし、必要なチップを設計できます。

ミーニー氏のグループは、そのようなビジネスモデルが薄膜エレクトロニクスの分野でも実行可能であることを示しました。彼らは特定のTFTベースのマイクロプロセッサを設計し、2つのファウンドリで製造させ、ラボで正常にテストしました。同じチップが、主流の2つの異なるTFT技術（異なる基板を使用）に基づいて2つのバージョンで製造されました。彼らの研究論文はNatureに掲載されています。

ミーニー氏と同僚たちが作ったマイクロプロセッサは、象徴的なMOS 6502です。今日ではこのチップは「博物館の展示品」ですが、1970年代には最初のApple、Commodore、Nintendoコンピュータのドライバーでした。グループは、6502チップをウェハ上（非晶質インジウム・ガリウム・亜鉛・酸化物を使用）とプレート上（低温多結晶シリコンを使用）で開発しました。どちらの場合も、チップは他のチップ（プロジェクト）とともに基板上で製造されました。このマルチプロジェクトアプローチにより、ファウンドリは設計者からのオンデマンドで異なるチップを単一基板上で製造できます。

ミーニー氏のグループが作ったチップは30マイクロメートル未満の厚さで、人間の髪の毛より薄いです。これは、例えばウェアラブルパッチのような医療用途に理想的です。このような超薄型ウェアラブルは、心電図や筋電図を作成し、心臓と筋肉の状態を調べるのに使用できます。それらはシールのように感じられ、シリコンベースのチップを備えたパッチは常にゴツゴツした感触があります。

6502マイクロプロセッサの性能は現代のものと比較できませんが、この研究は、フレキシブルチップが従来のチップ業界で起こっているのと類似したマルチプロジェクトアプローチで設計・製造可能であることを実証しています。ミーニー氏は結論づけます。「我々はシリコンベースのチップと競争するつもりはありません。フレキシブルで薄膜エレクトロニクスに基づくイノベーションを刺激し、加速させたいのです。」

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