Deze LED kan rechtstreeks in computerchips worden geïntegreerd

Light-emitting diodes - LED's - zijn belangrijk in veel meer toepassingen dan alleen verlichting. Deze lichtbronnen zijn ook nuttig in de micro-elektronica. Smartphones kunnen bijvoorbeeld een LED-nabijheidssensor gebruiken om te bepalen of u de telefoon naast uw gezicht houdt (in dat geval wordt het scherm ingeschakeld). De LED stuurt een lichtpuls naar je gezicht en een timer in de telefoon meet hoe lang het duurt voordat dat licht terugkaatst, een maat voor hoe dicht de telefoon bij je gezicht is. LED's zijn ook handig voor afstandsmeting in autofocuscamera's en gebarenherkenning.

Eén probleem met LED's:het is moeilijk om ze van silicium te maken. Dat betekent dat LED-sensoren afzonderlijk van de op silicium gebaseerde verwerkingschip van hun apparaat moeten worden vervaardigd, vaak tegen een hoge prijs. Maar dat kan ooit veranderen, dankzij nieuw onderzoek van MIT's Research Laboratory of Electronics (RLE).

Onderzoekers hebben een siliciumchip gefabriceerd met volledig geïntegreerde LED's, helder genoeg om state-of-the-art sensor- en communicatietechnologieën mogelijk te maken. De vooruitgang kan niet alleen leiden tot een gestroomlijnde productie, maar ook tot betere prestaties voor elektronica op nanoschaal.

Silicium wordt veel gebruikt in computerchips omdat het een overvloedig, goedkoop halfgeleidermateriaal is. Maar ondanks de uitstekende elektronische eigenschappen van silicium, blinkt het niet helemaal uit als het gaat om optische eigenschappen - silicium zorgt voor een slechte lichtbron. Daarom keren elektrotechnici zich vaak af van het materiaal wanneer ze LED-technologieën moeten verbinden met de computerchip van een apparaat.

De led in de nabijheidssensor van je smartphone is bijvoorbeeld gemaakt van III-V-halfgeleiders, zo genoemd omdat ze elementen uit de derde en vijfde kolom van het periodiek systeem bevatten. (Silicium staat in de vierde kolom.) Deze halfgeleiders zijn optisch efficiënter dan silicium — ze produceren meer licht uit een bepaalde hoeveelheid energie.

En hoewel de nabijheidssensor een fractie is van de grootte van de siliciumprocessor van de telefoon, draagt ​​deze aanzienlijk bij aan de totale kosten van de telefoon. Er is een heel ander fabricageproces nodig, en het is een aparte fabriek die dat ene onderdeel produceert. Het doel van het onderzoeksteam was dus om dit allemaal samen te brengen in één systeem. Ze ontwierpen een op silicium gebaseerde LED met juncties die speciaal zijn ontworpen om de helderheid te verbeteren. Dit verhoogde de efficiëntie:de LED werkt op lage spanning, maar produceert nog steeds voldoende licht om een ​​signaal door 5 meter glasvezelkabel te sturen. Bovendien werden de LED's vervaardigd in een commerciële gieterij naast andere micro-elektronische componenten van silicium, waaronder transistors en fotondetectoren. Hoewel deze LED een traditionele III-V halfgeleider-LED niet helemaal overtrof, versloeg hij gemakkelijk eerdere pogingen tot op silicium gebaseerde LED's.

"Ons optimalisatieproces voor het maken van een betere silicium-LED was een hele verbetering ten opzichte van eerdere rapporten", zegt hoofdonderzoeker Jin Xue. Hij voegde eraan toe dat de silicium-LED ook sneller dan verwacht kon in- en uitschakelen. Het team gebruikte de LED om signalen te verzenden met frequenties tot 250 megahertz, wat aangeeft dat de technologie mogelijk niet alleen kan worden gebruikt voor detectietoepassingen, maar ook voor efficiënte gegevensoverdracht. Het team is van plan de technologie verder te ontwikkelen. Maar, zegt Xue, "er is al grote vooruitgang geboekt."

Naast een goedkopere productie, zou de vooruitgang ook de prestaties en efficiëntie van LED's kunnen verbeteren, aangezien elektronica krimpt tot steeds kleinere schalen. Dat komt omdat op microscopische schaal III-V-halfgeleiders niet-ideale oppervlakken hebben, bezaaid met "bungelende verbindingen" waardoor energie verloren kan gaan als warmte in plaats van als licht. Daarentegen vormt silicium een ​​schoner kristaloppervlak. "We kunnen profiteren van die zeer schone oppervlakken", zei professor Rajeev Ram. "Het is nuttig genoeg om concurrerend te zijn voor deze microschaaltoepassingen." Hierdoor kunnen geïntegreerde siliciumcircuits rechtstreeks met elkaar communiceren met licht in plaats van elektrische draden. Dit is enigszins verrassend omdat silicium een ​​indirecte bandgap heeft en normaal gesproken geen licht uitstraalt. Deze vooruitgang betekent een stap in de richting van op silicium gebaseerde computers die minder afhankelijk zijn van elektronische communicatie. Zo droomt de halfgeleiderindustrie al lang van een optische CPU-architectuur. Het rapport van op silicium gebaseerde micro-LED's laat aanzienlijke vooruitgang zien in deze pogingen.