Ouvrir la conception de puces flexibles grâce à l’électronique à couches minces

Electronique et capteurs INSIDER

Le groupe a développé la puce 6502 sur une plaquette (à droite) et sur une plaque (au milieu). (Image :© KU Leuven-imec)

Les semi-conducteurs en silicium sont devenus le « pétrole » de l’ère informatique, comme l’a démontré récemment la crise de pénurie de puces. Cependant, l’un des inconvénients des puces en silicium classiques est qu’elles ne sont pas mécaniquement flexibles. De l’autre, il y a le domaine de l’électronique flexible, qui s’appuie sur une technologie alternative de semi-conducteurs :le transistor à couches minces (TFT). Les applications dans lesquelles les TFT peuvent être utilisés sont légion :depuis les patchs médicaux et neurosondes portables jusqu'aux interfaces microfluidiques et robotiques numériques, en passant par les écrans pliables et l'électronique de l'Internet des objets (IoT).

La technologie TFT a bien évolué, mais contrairement à la technologie conventionnelle des semi-conducteurs, le potentiel de son utilisation dans diverses applications a à peine été exploité. En fait, les TFT sont actuellement produits principalement en série dans le but de les intégrer dans les écrans des smartphones, des ordinateurs portables et des téléviseurs intelligents, où ils sont utilisés pour contrôler les pixels individuellement. Cela limite la liberté des concepteurs de puces qui rêvent d'utiliser des TFT dans des micropuces flexibles pour proposer des applications innovantes basées sur TFT. "Ce domaine peut bénéficier énormément d'un modèle économique de fonderie similaire à celui de l'industrie conventionnelle des puces", a déclaré Kris Myny, professeur à l'unité Technologies émergentes, systèmes et sécurité de la KU Leuven à Diepenbeek, et professeur invité au Centre interuniversitaire de microélectronique (imec).

Le modèle dit de fonderie est au cœur du marché mondial des puces électroniques. Dans ce modèle économique, les grandes usines de fabrication de semi-conducteurs (fonderies) se concentrent sur la production en série de puces sur tranches de silicium. Celles-ci sont ensuite utilisées par les clients des fonderies – les entreprises qui conçoivent et commandent les puces – pour les intégrer dans des applications spécifiques. Grâce à ce modèle économique, ces entreprises ont accès à une fabrication complexe de semi-conducteurs pour concevoir les puces dont elles ont besoin.

Le groupe de Myny a montré qu’un tel modèle économique est également viable dans le domaine de l’électronique à couches minces. Ils ont conçu un microprocesseur spécifique basé sur TFT et l'ont fait produire dans deux fonderies, après quoi ils l'ont testé avec succès dans leur laboratoire. La même puce a été produite en deux versions, basées sur deux technologies TFT distinctes (utilisant des substrats différents) qui sont toutes deux courantes. Leur document de recherche est publié dans Nature .

Le microprocesseur que Myny et ses collègues ont construit est l'emblématique MOS 6502. Aujourd'hui, cette puce est une « pièce de musée », mais dans les années 70, elle était le pilote des premiers ordinateurs Apple, Commodore et Nintendo. Le groupe a développé la puce 6502 sur une plaquette (utilisant de l'oxyde d'indium-gallium-zinc amorphe) et sur une plaque (utilisant du silicium polycristallin à basse température). Dans les deux cas, les puces ont été fabriquées sur le substrat avec d'autres puces (projets). Cette approche multi-projets permet aux fonderies de produire différentes puces à la demande des concepteurs sur des substrats uniques.

La puce fabriquée par le groupe Myny a une épaisseur inférieure à 30 micromètres, soit moins qu’un cheveu humain. Cela le rend idéal, par exemple, pour les applications médicales telles que les patchs portables. De tels appareils portables ultra-fins peuvent être utilisés pour réaliser des électrocardiogrammes ou des électromyogrammes, afin d'étudier l'état du cœur et des muscles. Ils ressembleraient à un autocollant, tandis que les patchs dotés d'une puce à base de silicium semblent toujours noueux.

Bien que les performances du microprocesseur 6502 ne soient pas comparables à celles des microprocesseurs modernes, cette recherche démontre que des puces flexibles peuvent être conçues et produites selon une approche multi-projets, analogue à la manière dont cela se produit dans l'industrie des puces conventionnelle. Myny conclut :"Nous ne rivaliserons pas avec les puces à base de silicium, nous voulons stimuler et accélérer l'innovation basée sur une électronique flexible à couche mince."

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