Интеграция светодиодов прямо в процессоры: революция в дизайне чипов

Светодиоды — важны во многих более приложениях, чем просто освещение. Эти источники света полезны и в микроэлектронике. Смартфоны, например, могут использовать светодиодный датчик приближенности для определения, держите ли вы телефон рядом с лицом (в этом случае экран включается). Светодиод посылает импульс света к вашему лицу, и таймер в телефоне измеряет, сколько времени занимает отражение этого света обратно, — мера того, насколько близко телефон к вашему лицу. Светодиоды также удобны для измерения расстояния в автофокусных камерах и распознавания жестов.

Одна проблема со светодиодами: их трудно делать из кремния. Это означает, что светодиодные датчики должны производиться отдельно от кремниевого процессорного чипа устройства, часто по высокой цене. Но это может когда-нибудь измениться благодаря новому исследованию из Лаборатории электроники исследований MIT (RLE).

Исследователи изготовили кремниевый чип с полностью интегрированными светодиодами, достаточно яркими для обеспечения современных сенсорных и коммуникационных технологий. Прорыв может привести не только к оптимизированному производству, но и к лучшей производительности наноэлектроники.

Кремний широко используется в компьютерных чипах, потому что он обильный, дешевый полупроводниковый материал. Но несмотря на отличные электронные свойства кремния, он не блестит, когда речь идет об оптических свойствах — кремний делает плохой источник света. Поэтому электроинженеры часто отказываются от материала, когда им нужно подключить светодиодные технологии к компьютерному чипу устройства.

Светодиод в датчике приближенности вашего смартфона, например, сделан из III-V полупроводников, так называемых потому, что они содержат элементы из третьей и пятой групп периодической таблицы. (Кремний в четвертой группе.) Эти полупроводники более оптически эффективны, чем кремний — они производят больше света от данного количества энергии.

И хотя датчик приближенности составляет долю размера кремниевого процессора телефона, он значительно увеличивает общую стоимость телефона. Нужен совершенно другой производственный процесс, и отдельный завод производит эту одну деталь. Поэтому целью исследовательской команды было объединить всё это в одну систему. Они спроектировали кремниевый светодиод с переходами, специально спроектированными для усиления яркости. Это повысило эффективность: светодиод работает при низком напряжении, но всё еще производит достаточно света для передачи сигнала через 5 метров волоконно-оптического кабеля. Плюс, светодиоды производились в коммерческой фабрике прямо рядом с другими кремниевыми микроэлектронными компонентами, включая транзисторы и фото-детекторы. Хотя этот светодиод не совсем пересиял традиционный III-V полупроводниковый светодиод, он легко превзошел предыдущие попытки кремниевых светодиодов.

«Наш процесс оптимизации того, как сделать лучший кремниевый светодиод, был довольно большим улучшением по сравнению с прошлыми отчетами», — сказал ведущий исследователь Цзинь Сюэ. Он добавил, что кремниевый светодиод также мог включаться и выключаться быстрее, чем ожидалось. Команда использовала светодиод для передачи сигналов на частотах до 250 мегагерц, указывая, что технология потенциально может использоваться не только для сенсорных приложений, но и для эффективной передачи данных. Команда планирует продолжать развитие технологии. Но, говорит Сюэ, «уже сделан большой прогресс».

Помимо дешевле производства, прорыв может также улучшить производительность и эффективность светодиодов по мере уменьшении электроники до все более мелких масштабов. Это потому, что на микроскопическом масштабе III-V полупроводники имеют неидеальные поверхности, изрешеченные «висячими связями», позволяющими энергите теряться в виде тепла, а не света. В отличие от этого, кремний формирует более чистую кристаллическую поверхность. «Мы можем воспользоваться преимуществом этих очень чистых поверхностей», — сказал профессор Раджив Рам. «Это достаточно полезно, чтобы быть конкурентоспособным для этих микромасштабных приложений». Это позволяет кремниевым интегральным схемам общаться друг с другом напрямую светом вместо электрических проводов. Это несколько удивительно, так как кремний имеет непрямой запрещенный пояс и обычно не излучает свет. Этот прорыв представляет шаг к кремниевым компьютерам, менее зависимым от электронной коммуникации. Например, полупроводниковая индустрия давно мечтала об оптической архитектуре CPU. Отчет о кремниевых микро-светодиодах показывает значительный прогресс в этих попытках.