CMOS-plattform för framtidens forskning

Vid KTH:s elektrumlaboratorium byggs en CMOS-plattform för ökad innovationskraft inom svensk forskning. Arbetet har tagit betydande steg framåt och integrerar plattformen i forskningsprojekt.

Projektet Heterogeneous integration with CMOS leds av Per-Erik Hellström och finansieras av SSF:s satsning Research Infrastructure Fellows 2. Målet är att bygga upp en tillgänglig, anpassningsbar och forskardriven infrastruktur för tillverkning av integrerade kretsar, med både digital och analog funktionalitet. Till skillnad från traditionella halvledarfabriker där tillverkningsprocessen är låst och optimerad för massproduktion, bygger detta projekt på flexibilitet. Forskarna kan ändra enskilda steg i processen – byta metaller, justera temperaturer, modifiera maskiner och experimentera med nya material.
– Det är det som gör vår plattform unik. Vi kan ta risker och prova det som inte går att göra i en kommersiell fabrik, säger projektledaren. Det skapar förutsättningar för innovation – både i vår egen forskning och i samverkan med andra.
Redan idag finns ett fungerande bibliotek av digitala kretsar och tillförlitliga transistorer. Arbetet med att ta fram motsvarande byggblock för analog elektronik har också kommit långt. Dioder och och resistorer är kvalificerade, medan utvecklingen av kapacitanser och ESD-skyddskretsar (mot statisk elektricitet) fortfarande pågår. Det största tekniska hindret är just nu metallagerna som kopplar samman komponenterna – i större kretsar uppstår fortfarande kortslutningar.
– Vi trodde att stacken var kvalificerad förra året, men det visade sig att fel uppstår när vi kör många skivor. Det är just den typen av insikter som bara kommer när man jobbar kontinuerligt i labbet, och det hade aldrig varit möjligt utan det här stödet.

Integration i praktiken
Två projekt har redan börjat dra nytta av plattformens möjligheter.
Det första handlar om integration av fotonik – att kombinera ljusbaserade komponenter som lasrar och fotodetektorer med elektronik på samma chip. Tillsammans med professor Mattias Hammar har forskargruppen utvecklat de första prototyperna där III-V-material integreras med kiselbaserad elektronik. Målet är att möjliggöra optisk kommunikation direkt på chipnivå, vilket kan revolutionera allt från datacenter till bärbar elektronik.
Det andra projektet fokuserar på mikromekaniska system (MEMS), som exempelvis används i mobiltelefoners mikrofoner eller rörelsesensorer. Genom att kombinera deras process för att flytta tunna materialskikt mellan kiselplattor med CMOS-projektets egen teknik har ett nytt spår uppstått: transparent elektronik. Målet är att göra fungerande transistorer som samtidigt är genomskinliga – något som är extremt svårt att åstadkomma med dagens transparenta material. De ger ofta dåliga elektriska egenskaper och fungerar sällan för större system.
Projektet går i stället motsatt väg. Det utgår från beprövade kisellösningar och gör dem så tunna – ned till 10–20 nanometer – att de släpper igenom ljus. Redan nu har forskargruppen tagit fram skivor med fungerande transparenta kretsar, och en doktorand visar preliminära resultat på en konferens inom kort.

Infrastruktur för innovation
Projektets långsiktiga mål är att etablera en infrastruktur som andra forskare kan använda för att integrera elektronik i sina egna teknologier. Genom att erbjuda en öppen och flexibel plattform kan forskare från olika discipliner experimentera och utveckla nya lösningar.
– Det ska bli ett nav där nya idéer föds och där elektroniken anpassas till tillämpningen – inte tvärtom.
Att det också har gett oväntade spin-offer, som högtemperatur-elektronik med drift över 500°C, är ett kvitto på potentialen.