Diese LED kann direkt in Computerchips integriert werden

Licht emittierende Dioden – LEDs – sind in viel mehr Anwendungen wichtig als nur in der Beleuchtung. Diese Lichtquellen sind auch in der Mikroelektronik nützlich. Smartphones können beispielsweise einen LED-Näherungssensor verwenden, um festzustellen, ob Sie das Telefon neben Ihr Gesicht halten (in diesem Fall schaltet sich der Bildschirm ein). Die LED sendet einen Lichtimpuls in Richtung Ihres Gesichts, und ein Timer im Telefon misst, wie lange es dauert, bis das Licht zurückreflektiert wird, ein Maß dafür, wie nahe das Telefon an Ihrem Gesicht ist. LEDs sind auch praktisch für die Entfernungsmessung in Autofokuskameras und die Gestenerkennung.

Ein Problem bei LEDs:Es ist schwierig, sie aus Silizium herzustellen. Das bedeutet, dass LED-Sensoren separat vom siliziumbasierten Verarbeitungschip ihres Geräts hergestellt werden müssen, oft zu einem hohen Preis. Aber das könnte sich eines Tages dank neuer Forschungsergebnisse des Research Laboratory of Electronics (RLE) des MIT ändern.

Forscher haben einen Siliziumchip mit vollständig integrierten LEDs hergestellt, die hell genug sind, um hochmoderne Sensor- und Kommunikationstechnologien zu ermöglichen. Der Fortschritt könnte nicht nur zu einer optimierten Fertigung, sondern auch zu einer besseren Leistung für Nanoelektronik führen.

Silizium wird häufig in Computerchips verwendet, da es ein reichlich vorhandenes, billiges Halbleitermaterial ist. Aber trotz der hervorragenden elektronischen Eigenschaften von Silizium glänzt es nicht ganz, wenn es um optische Eigenschaften geht – Silizium ist eine schlechte Lichtquelle. Daher wenden sich Elektroingenieure oft vom Material ab, wenn sie LED-Technologien mit dem Computerchip eines Geräts verbinden müssen.

Die LED im Näherungssensor Ihres Smartphones besteht beispielsweise aus III-V-Halbleitern, die so genannt werden, weil sie Elemente aus der dritten und fünften Spalte des Periodensystems enthalten. (Silizium befindet sich in der vierten Spalte.) Diese Halbleiter sind optisch effizienter als Silizium – sie erzeugen mehr Licht aus einer bestimmten Energiemenge.

Und obwohl der Näherungssensor nur einen Bruchteil der Größe des Siliziumprozessors des Telefons ausmacht, trägt er erheblich zu den Gesamtkosten des Telefons bei. Es ist ein völlig anderer Herstellungsprozess erforderlich, und es ist eine separate Fabrik, die dieses eine Teil herstellt. Das Ziel des Forschungsteams war es also, all dies in einem System zusammenzuführen. Sie entwarfen eine siliziumbasierte LED mit Übergängen, die speziell zur Verbesserung der Helligkeit entwickelt wurden. Dies steigerte die Effizienz:Die LED arbeitet mit niedriger Spannung, erzeugt aber immer noch genug Licht, um ein Signal durch 5 Meter Glasfaserkabel zu übertragen. Außerdem wurden die LEDs in einer kommerziellen Gießerei direkt neben anderen mikroelektronischen Siliziumkomponenten hergestellt, darunter Transistoren und Photonendetektoren. Während diese LED eine herkömmliche III-V-Halbleiter-LED nicht ganz überstrahlte, schlug sie frühere Versuche mit siliziumbasierten LEDs leicht.

„Unser Optimierungsprozess zur Herstellung einer besseren Silizium-LED war eine ziemliche Verbesserung gegenüber früheren Berichten“, sagte der leitende Forscher Jin Xue. Er fügte hinzu, dass die Silizium-LED auch schneller als erwartet ein- und ausschalten könnte. Das Team verwendete die LED, um Signale mit Frequenzen von bis zu 250 Megahertz zu senden, was darauf hinweist, dass die Technologie möglicherweise nicht nur für Sensoranwendungen, sondern auch für eine effiziente Datenübertragung verwendet werden könnte. Das Team plant, die Technologie weiterzuentwickeln. Aber, sagt Xue, „es hat bereits große Fortschritte gemacht.“

Neben einer billigeren Herstellung könnte der Fortschritt auch die LED-Leistung und -Effizienz verbessern, da die Elektronik auf immer kleinere Maßstäbe schrumpft. Das liegt daran, dass III-V-Halbleiter im mikroskopischen Maßstab nicht ideale Oberflächen haben, die mit „losen Bindungen“ durchsetzt sind, die es ermöglichen, dass Energie als Wärme und nicht als Licht verloren geht. Im Gegensatz dazu bildet Silizium eine sauberere Kristalloberfläche. „Wir können diese sehr sauberen Oberflächen nutzen“, sagte Professor Rajeev Ram. „Es ist nützlich genug, um für diese Anwendungen im Mikromaßstab wettbewerbsfähig zu sein.“ Es ermöglicht integrierten Siliziumschaltkreisen, direkt mit Licht anstelle von elektrischen Drähten miteinander zu kommunizieren. Dies ist etwas überraschend, da Silizium eine indirekte Bandlücke hat und normalerweise kein Licht emittiert. Dieser Fortschritt stellt einen Schritt in Richtung siliziumbasierter Computer dar, die weniger auf elektronische Kommunikation angewiesen sind. Beispielsweise träumt die Halbleiterindustrie seit langem von einer optischen CPU-Architektur. Der Bericht über Mikro-LEDs auf Siliziumbasis zeigt deutliche Fortschritte bei diesen Versuchen.