Libérer la conception de puces flexibles grâce à l'électronique à couches minces

Electronics & Sensors INSIDER

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

Les semi-conducteurs 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 silicium conventionnelles est qu'elles ne sont pas mécaniquement flexibles. D'un autre côté, il y a le domaine de l'électronique flexible, piloté par une technologie semi-conductrice alternative : le transistor à couches minces (TFT). Les applications dans lesquelles les TFT peuvent être utilisés sont légion : des patchs de santé portables et neuro-sondes à la microfluidique numérique et interfaces robotiques, en passant par les affichages flexibles et l'électronique Internet des Objets (IoT).

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

Le modèle fonderie au cœur du marché des micropuces

Au cœur du marché mondial des micropuces se trouve le modèle dit de fonderie. Dans ce modèle économique, de grandes usines de fabrication de semi-conducteurs (fonderies) se concentrent sur la production de masse 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 semi-conductrice complexe pour concevoir les puces dont elles ont besoin.

Le groupe de Myny a montré qu'un tel modèle économique est aussi 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 différents substrats) qui sont toutes deux mainstream. Leur article de recherche est publié dans Nature.

Le microprocesseur que Myny et ses collègues ont construit est le célèbre MOS 6502. Aujourd'hui cette puce est une « pièce de musée », mais dans les années 70 elle était le moteur des premiers ordinateurs Apple, Commodore et Nintendo. Le groupe a développé la puce 6502 sur une tranche (utilisant de l'oxyde d'indium-gallium-zinc amorphe) et sur une plaque (utilisant du silicium polycristallin 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 faite par le groupe de Myny fait moins de 30 micromètres d'épaisseur, moins qu'un cheveu humain. Cela la rend idéale pour, par exemple, des applications médicales comme les patchs portables. De tels wearables ultra-fins peuvent être utilisés pour faire des électrocardiogrammes ou électromyogrammes, pour étudier l'état du cœur et des muscles. Ils seraient ressentis comme un autocollant, tandis que les patchs avec une puce à base de silicium ont toujours une sensation bosselée.

Bien que la performance du microprocesseur 6502 ne soit pas comparable aux modernes, cette recherche démontre que des puces flexibles peuvent être conçues et produites dans une approche multi-projets, analogue à la façon dont cela se passe dans l'industrie des puces conventionnelles. Myny conclut : « Nous ne ferons pas concurrence aux puces à base de silicium, nous voulons stimuler et accélérer l'innovation basée sur l'électronique flexible à couches minces. »

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