Этот светодиод можно интегрировать непосредственно в компьютерные чипы

Светоизлучающие диоды — светодиоды — важны не только для освещения, но и во многих других областях. Эти источники света полезны и в микроэлектронике. Смартфоны, например, могут использовать светодиодный датчик приближения, чтобы определить, держите ли вы телефон рядом с лицом (в этом случае включается экран). Светодиод посылает импульс света к вашему лицу, а таймер в телефоне измеряет, сколько времени требуется этому свету, чтобы отразиться обратно, а это показывает, насколько близко телефон находится к вашему лицу. Светодиоды также удобны для измерения расстояния в камерах с автофокусом и распознавания жестов.

Одна проблема со светодиодами:их сложно сделать из кремния. Это означает, что светодиодные датчики должны изготавливаться отдельно от кремниевой микросхемы обработки их устройства, часто по высокой цене. Но однажды это может измениться благодаря новому исследованию Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института (RLE).

Исследователи изготовили кремниевый чип с полностью интегрированными светодиодами, достаточно яркими, чтобы обеспечить работу современных сенсорных и коммуникационных технологий. Этот прогресс может привести не только к рационализации производства, но и к повышению производительности наноразмерной электроники.

Кремний широко используется в компьютерных чипах, потому что это распространенный дешевый полупроводниковый материал. Но, несмотря на превосходные электронные свойства кремния, он не очень хорош, когда дело доходит до оптических свойств — кремний является плохим источником света. Поэтому инженеры-электрики часто отказываются от материала, когда им нужно подключить светодиодные технологии к компьютерному чипу устройства.

Светодиод в датчике приближения вашего смартфона, например, сделан из полупроводников III-V, названных так потому, что они содержат элементы из третьего и пятого столбцов таблицы Менделеева. (Кремний находится в четвертом столбце.) Эти полупроводники оптически более эффективны, чем кремний, — они излучают больше света при заданном количестве энергии.

И хотя датчик приближения занимает лишь часть размера кремниевого процессора телефона, он значительно увеличивает общую стоимость телефона. Нужен совершенно другой производственный процесс, и это отдельная фабрика, которая производит эту деталь. Итак, целью исследовательской группы было собрать все это вместе в одну систему. Они разработали светодиод на основе кремния с переходами, специально спроектированными для повышения яркости. Это повысило эффективность:светодиод работает при низком напряжении, но при этом производит достаточно света для передачи сигнала по 5-метровому оптоволоконному кабелю. Кроме того, светодиоды были изготовлены в коммерческом литейном цеху вместе с другими кремниевыми микроэлектронными компонентами, включая транзисторы и детекторы фотонов. Хотя этот светодиод не полностью затмил традиционный полупроводниковый светодиод III-V, он легко превзошел предыдущие попытки создания светодиодов на основе кремния.

«Наш процесс оптимизации того, как сделать кремниевый светодиод лучше, значительно улучшился по сравнению с предыдущими отчетами», — сказал ведущий исследователь Джин Сюэ. Он добавил, что кремниевый светодиод также может включаться и выключаться быстрее, чем ожидалось. Команда использовала светодиод для отправки сигналов на частотах до 250 мегагерц, что указывает на то, что технология потенциально может использоваться не только для сенсорных приложений, но и для эффективной передачи данных. Команда планирует продолжить разработку технологии. Но, по словам Сюэ, «уже достигнут большой прогресс».

В дополнение к более дешевому производству, прогресс может также улучшить производительность и эффективность светодиодов, поскольку электроника сокращается до все меньших масштабов. Это потому, что в микроскопическом масштабе полупроводники III-V имеют неидеальные поверхности, пронизанные «оборванными связями», которые позволяют энергии теряться в виде тепла, а не света. Напротив, кремний образует более чистую поверхность кристалла. «Мы можем воспользоваться этими очень чистыми поверхностями», — сказал профессор Раджив Рам. «Это достаточно полезно, чтобы быть конкурентоспособным для этих микромасштабных приложений». Это позволяет кремниевым интегральным схемам связываться друг с другом напрямую с помощью света, а не по электрическим проводам. Это несколько удивительно, поскольку кремний имеет непрямую запрещенную зону и обычно не излучает свет. Это продвижение представляет собой шаг к компьютерам на основе кремния, которые в меньшей степени зависят от электронной связи. Например, полупроводниковая промышленность давно мечтает об оптической архитектуре ЦП. Отчет о кремниевых микросветодиодах показывает значительный прогресс в этих попытках.