Hjelper tynnfilmtransistorindustrien med å modne gjennom utnyttelse av ‘foundries’

Tynnfilmelektronikk trenger bredere tilgang til produksjon og felles designverktøy. Forskere ved KU Leuven og imec har vist en ny måte å bruke modellen med uavhengige kontraktsprodusenter på fleksible TFT-kretser. Tilnærmingen kan gjøre teknologien tilgjengelig for flere utviklere.

Hva er tynnfilmtransistorer?

Tynnfilmtransistorer (TFT-er) består av tynne halvlederlag på et underlag. Kanalens ledningsevne styres elektrisk, slik at transistoren kan fungere som bryter eller forsterker. TFT-er er vanlige i skjermer, men er ikke grunnlaget for alle vanlige mikroprosessorer.

I skjermer med aktiv matrise styrer TFT-er de enkelte bildepunktene. Slike skjermer finnes blant annet i telefoner og bærbare datamaskiner. Transistorene er ikke nødvendigvis sensorer. Flere materialtyper brukes, deriblant amorft silisium, polykrystallinsk silisium og halvledende oksider.

Amorft silisium

Amorft silisium brukes mye i TFT-er for skjermer. Det kan avsettes over store flater og på ulike underlag. Produksjonen kan være rimelig for egnede bruksområder, men ladningsbærernes mobilitet er vanligvis lavere enn i polykrystallinsk silisium.

Polykrystallinsk silisium

Polykrystallinsk silisium kan gi høyere ladningsbærermobilitet. Fremstillingen krever flere prosesstrinn, for eksempel krystallisering av et tynt lag. Materialet fremstilles ikke ved å destillere forbindelser på silisium. Temperaturkravene påvirker hvilke underlag som kan brukes.

Begrensninger ved dagens TFT-produksjon

Fleksibiliteten avhenger av hele strukturen, underlaget og tykkelsen. Skjermindustrien har allerede stor produksjonskapasitet for TFT-er. Studien handler om uavhengige utvikleres tilgang til verifiserte prosesser for nye typer kretser, ikke om at all slik produksjon mangler.

Holde tritt med etterspørselen

En kontraktsprodusent, ofte kalt et foundry, lager kretser som andre selskaper designer og bestiller. I vanlig halvlederproduksjon kan flere design dele en wafer, en tynn halvlederskive. Forskerne undersøkte tilsvarende tilgang for fleksibel elektronikk.

Kritisk forretningsmodell

Skillet mellom design og produksjon gir utviklere tilgang til avanserte prosesser uten at de må bygge egne fabrikker. Felles verktøy og regler kan gjøre nye anvendelser enklere. Utforming og fysisk plassering av kretsene er fortsatt nødvendige oppgaver.

En ny tilnærming

Hikmet Çeliker, Wim Dehaene og Kris Myny undersøkte hvordan designverktøy og uavhengige produsenter kan støtte fleksibel elektronikk. Målet var å åpne for flere anvendelser enn de etablerte skjermproduktene.

Demonstrasjon av produksjonsmodellen

Gruppen designet og testet en mikroprosessor i to uavhengige produksjonsteknologier. De viste at flere design kan produseres sammen også med TFT-er. De bygde ikke to nye fabrikker fra grunnen av eller innførte en ferdig standard for hele bransjen.

En fleksibel mikroprosessor

Forskerne implementerte den kjente MOS 6502-prosessoren med TFT-er. Den opprinnelige 6502 og beslektede varianter ble brukt i historiske Nintendo-systemer og tidlige datamaskiner fra Apple (AAPL ) og Commodore. Betydningen ligger i den fleksible fremstillingen og produksjonsmodellen, ikke i konkurranse med dagens prosessorytelse.

Den fleksible strukturen var mindre enn 30 mikrometer tykk, altså tynnere enn et menneskehår. Dette er tykkelsen, ikke prosessorens bredde eller transistorenes størrelse. Slike kretser kan være nyttige der lav vekt og tilpasning til overflater er viktig.

To produksjonsteknologier

Studien brukte TFT-er med amorft indium-gallium-sinkoksid (IGZO) og lavtemperatur-polykrystallinsk silisium (LTPS). Dette er halvledermaterialer i det aktive laget, ikke navn på underlagene. Lav temperatur betyr ikke at prosessen er uten varmebehandling. Probekort med kontaktpinner brukes til elektriske tester og er ikke nødvendigvis en ferdig 48-pinners brikkepakke.

Flere design i samme produksjon

En multiprosjektprosess kombinerer ulike, uavhengige kretsdesign i samme produksjon av wafere eller plater. Slik kan kostnader deles og nye ideer prøves ut. Metoden betyr ikke at hver mikroprosessor deles opp i ferdige moduler som kan plukkes fritt.

Strømforbruk

Strømforbruket avhenger av teknologi, spenning, frekvens og kretsens oppgave. Liten tykkelse garanterer ikke lavt forbruk. Energihøsting og trådløs strømforsyning kan undersøkes for enkelte anvendelser, men studien viste ikke at alle slike kretser kan forsyne seg selv med strøm.

Mulige bruksområder for TFT-er

TFT-er styrer allerede bildepunkter i mange skjermer. Fleksible integrerte kretser kan åpne andre bruksområder dersom kravene til ytelse og pålitelighet oppfylles.

Helsevesen

Tynne, fleksible kretser kan være interessante i kroppsnære sensorer. Et plasterliknende produkt kan for eksempel måle hjerte- eller muskelaktivitet.

Bandasjer med sensorer er en annen mulig retning. Slike produkter krever også egnede sensorer, strømforsyning og medisinsk dokumentasjon. En fleksibel prosessor alene gir ikke disse funksjonene.

Robotikk

Lette og fleksible kretser kan plasseres på buede robotflater eller brukes sammen med sensorer og skjermer. Lavere vekt kan være nyttig, men batteritiden avhenger av hele systemet.

Robotansikter og følsomme overflater er mulige anvendelser. Bruk sammen med KI er en utviklingsmulighet, ikke et resultat som denne studien demonstrerte.

Fremtidige skjermer

Lette skjermer kan være nyttige i utstyr for virtuell og utvidet virkelighet. Komforten påvirkes også av optikk, batterier, varme og mekanisk utforming. En tynn transistor gjør ikke automatisk hele enheten nesten vektløs.

Bøybare skjermer

TFT-er på egnede fleksible underlag kan inngå i skjermer som bøyes eller rulles sammen. Holdbarheten avhenger av materialene og resten av skjermstrukturen. Ikke alle TFT-er eller TFT-skjermer er fleksible.

Tingenes internett (IoT)

Tingenes internett omfatter tilkoblede enheter som samler inn, utveksler eller bruker data. Sensorer, prosessorer og kommunikasjonsteknologi samarbeider i mange slike systemer. Hver enhet trenger ikke være direkte koblet til det offentlige internettet.

Tynne kretser kan være nyttige for sensorer som følger varer og forsyningskjeder. Fleksibilitet kan forenkle innbygging i emballasje og andre overflater. Kostnad, energiforbruk og kommunikasjonskrav avgjør om teknologien passer.

I industrien brukes tilkoblede sensorer til å følge produksjonsforhold, temperatur og plassering av varer. Informasjonen kan støtte kvalitetssikring og logistikk. Hvilken løsning som er best, avhenger av oppgaven; IoT er ikke alltid det eneste eller beste alternativet.

Selskaper som kan ha nytte av denne teknologien

Utstyrsleverandører og halvlederprodusenter kan ha relevant kompetanse. Det betyr ikke at selskapene nedenfor deltar i studien eller vil få en umiddelbar inntektsøkning fra den.

1. Applied Materials

AMAT Prisdiagram

Applied Materials (AMAT ) leverer produksjonsutstyr, materialteknologi og tjenester til halvleder- og skjermindustrien. Selskapet ble grunnlagt i 1967 og børsnotert i 1972. Virksomheten støtter brikkeprodusenter, men selskapet er ikke selv et uavhengig foundry.

Applied Materials lager maskiner som andre selskaper bruker til å produsere brikker. Selskapet driver ikke foundries som masseproduserer milliarder av brikker for kunder, slik den opprinnelige teksten antydet. Virksomheten omfatter halvledersystemer, tjenester og utstyr for skjermproduksjon.

AMAT-aksjen påvirkes av investeringer i produksjonsutstyr, etterspørsel, konkurranse og handelsbegrensninger. Markedsverdi og kursavkastning må oppgis med en tydelig dato. Tidligere oppgang garanterer ikke fremtidig avkastning.

2. Intel Corporation

INTC Prisdiagram

Intel (INTC ) er en kjent halvlederprodusent som ble grunnlagt i California i 1968. Selskapet lager egne prosessorer og utvikler produksjonstjenester for eksterne kunder gjennom Intel Foundry.

Utviklingen krever investeringer, teknologisk gjennomføring og kundetilgang. Kursmål for 2026 er anslag, ikke sikker verdiøkning eller dokumentasjon på at aksjen passer for alle investorer.

Chipmangel

Forstyrrelser i halvlederforsyningen har vist betydningen av robuste produksjonskjeder. Etterspørsel, kapasitet, leveringstider og geopolitiske begrensninger påvirker de ulike delmarkedene forskjellig.

Virkningene varierer mellom regioner og brikketyper. Europa har en betydelig halvlederindustri, samtidig som enkelte produksjonsmuligheter ønskes utvidet. Påstanden om at regionen mangler store fabrikker eller dokumentert ble rammet hardest, er for generell.

Ny kapasitet og bedre koordinering kan hjelpe, men krever tid og investeringer. Etterspørselen etter hver teknologi utvikler seg forskjellig. Fleksible TFT-er erstatter ikke automatisk alle vanlige halvledere.

Fremtiden for tynnfilmtransistorer

Automatisering, designverktøy og mulige KI-anvendelser kan støtte utviklingen av nye kretser. Lavere pris og enklere produksjon er mål, ikke garanterte egenskaper ved hver nye TFT-generasjon.

Tynnfilmtransistorer på vei mot vekst

Felles produksjon av flere design hos uavhengige produsenter er en interessant vei videre for fleksibel elektronikk. Studien viser teknisk gjennomførbarhet. Bredere bruk vil avhenge av kostnader, ytelse og tilgang til verktøy.

Les flere datanyheter