LEDs direct integreren in CPU's: Chip-ontwerp revolutioneren

Light-emitting diodes — LEDs — zijn belangrijk in veel meer toepassingen dan alleen verlichting. Deze lichtbronnen zijn ook nuttig in micro-elektronica. Smartphones kunnen bijvoorbeeld een LED-bijnaheidssensor gebruiken om te bepalen of u de telefoon naast uw gezicht houdt (in welk geval het scherm aan gaat). De LED stuurt een puls licht naar uw gezicht, en een timer in de telefoon meet hoe lang het duurt voordat dat licht weerkaatst, een maat voor hoe dicht de telefoon bij uw gezicht is. LEDs zijn ook handig voor afstandsmeting in autofocus-camera's en gebarenherkenning.

Eén probleem met LEDs: Het is moeilijk om ze van silicium te maken. Dat betekent dat LED-sensoren apart geproduceerd moeten worden van de siliciumbase verwerkingschip van hun apparaat, vaak tegen een zware prijs. Maar dat kan op een dag veranderen, dankzij nieuw onderzoek van MIT's Research Laboratory of Electronics (RLE).

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

Silicium wordt breed gebruikt in computercips omdat het een rijk, goedkoop halfgeleidermateriaal is. Maar ondanks siliciums uitstekende elektronische eigenschappen, schittert het niet echt wat optische eigenschappen betreft — silicium is een slechte lichtbron. Daarom stappen elektrisch ingenieurs vaak af van het materiaal als ze LED-technologieën met een apparaat's computercip moeten verbinden.

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

En hoewel de nabijheidssensor een fractie is van de grootte van de siliciumprocessor van de telefoon, voegt het significant toe aan de totale kosten van de telefoon. Er is een volledig ander fabricageproces nodig, en het is een aparte fabriek die dat ene onderdeel produceert. Dus, het doel van het onderzoersteam was om al dit in één systeem te brengen. Ze ontwierpen een silicium-gebaseerde LED met junctions specifiek geëngineerd om helderheid te verbeteren. Dit verhoogde de efficiëntie: De LED werkt bij lage spanning, maar produceert nog steeds genoeg licht om een signaal door 5 meter glasvezelkabel te transmitteren. Bovendien werden de LEDs geproduceerd in een commerciële foundry recht naast andere silicium-micro-elektronische componenten, inclusief transistoren en fotondetectors. Hoewel deze LED niet ganz een traditionele III-V halfgeleider LED overtrof, won het gemakkelijk van eerdere pogingen voor silicium-gebaseerde LEDs.

"Onze optimalisatieproces van hoe een betere silicium-LED te maken was een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere rapporten," zei hoofdonderzoeker Jin Xue. Hij voegde toe dat de silicium-LED ook sneller aan en uit kon schakelen dan verwacht. Het team gebruikte de LED om signalen te zenden met frequenties tot 250 megahertz, wat aangeeft dat de technologie potentiëel niet alleen voor sensing-toepassingen, maar ook voor efficiënte dataoverdracht gebruikt kan worden. Het team plannet de technologie verder te ontwikkelen. Maar, zegt Xue, "het heeft al grote vooruitgang geboekt."

Naast goedkopere productie, kan de vooruitgang ook de LED-prestaties en efficiëntie verbeteren naarmate elektronica schrumpft tot steeds kleinere schalen. Dat is omdat, op een microscopische schaal, III-V halfgeleiders non-ideale oppervlakken hebben, vol met "dangling bonds" die energie laten verlopen als warmte in plaats van licht. In tegenstelling vormt silicium een schoner kristaloppervlak. "We kunnen voordeel trekken van die heel schone oppervlakken," zei professor Rajeev Ram. "Het is nuttig genoeg om competitief te zijn voor deze microschaal-toepassingen." Het stelt silicium-geïntegreerde circuits in staat om direct met elkaar te communiceren met licht in plaats van elektrische draden. Dit is enigszins verrassend aangezien silicium een indirecte bandgap heeft en normaal geen licht emiteert. Deze vooruitgang vertegenwoordigt een stap in de richting van silicium-gebaseerde computers die minder afhankelijk zijn van elektronische communicatie. Bijvoorbeeld, de halfgeleiderindustrie droomt al lang van een optische CPU-architectuur. Het rapport van silicium-gebaseerde micro-LEDs toont significante vooruitgang in deze pogingen.