LEDs direkt in CPUs integrieren: Revolution im Chip-Design

Lichtemittierende Dioden – LEDs – sind in vielen mehr Anwendungen wichtig als nur Beleuchtung. Diese Lichtquellen sind auch in der Mikroelektronik nützlich. Smartphones nutzen beispielsweise einen LED-Näherungssensor, um zu bestimmen, 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 nah das Telefon an Ihrem Gesicht ist. LEDs sind auch nützlich für Entfernungsmessung in Autofokus-Kameras und Gestenerkennung.

Ein Problem mit LEDs: Es ist schwierig, sie aus Silizium herzustellen. Das bedeutet, LED-Sensoren müssen separat von dem siliziumbasierten Prozessorchip ihres Geräts hergestellt werden, oft zu einem hohen Preis. Aber das könnte sich eines Tages ändern, dank neuer Forschung aus MITs Research Laboratory of Electronics (RLE).

Forscher haben einen Siliziumchip mit vollständig integrierten LEDs gefertigt, die hell genug sind, um State-of-the-Art-Sensor- und Kommunikationstechnologien zu ermöglichen. Der Fortschritt könnte nicht nur die Fertigung straffen, sondern auch bessere Performance für nanoskalige Elektronik bewirken.

Silizium wird in Computerchips weit verwendet, weil es ein reichlich vorhandenes, günstiges Halbleitermaterial ist. Aber trotz Siliziums exzellenter elektronischer Eigenschaften glänzt es nicht gerade bei optischen Eigenschaften – Silizium ist eine schlechte Lichtquelle. Deshalb wenden sich Elektroingenieure oft vom Material ab, wenn sie LED-Technologien mit einem Geräts-Computerchip verbinden müssen.

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

Und obwohl der Näherungssensor nur einen Bruchteil der Größe des Telefonprozessors ausmacht, trägt er signifikant zu den Gesamtkosten des Telefons bei. Es gibt einen völlig anderen Fertigungsprozess, der nötig ist, und es ist eine separate Fabrik, die diesen einen Teil herstellt. Das Ziel des Forschungsteams war also, all dies in einem System zu vereinen. Sie entwarfen eine siliziumbasierte LED mit speziell entwickelten Übergängen, um die Helligkeit zu erhöhen. Dies steigerte die Effizienz: Die LED arbeitet bei niedriger Spannung, produziert aber trotzdem genug Licht, um ein Signal durch 5 Meter Glasfaserkabel zu übertragen. Zudem wurden die LEDs in einer kommerziellen Foundry direkt neben anderen siliziumbasierten mikroelektronischen Komponenten hergestellt, einschließlich Transistoren und Photonendetektoren. Obwohl diese LED nicht ganz an eine traditionelle III-V-Halbleiter-LED heranreicht, übertrifft sie frühere Versuche siliziumbasierter LEDs bei weitem.

„Unser Optimierungsprozess, wie man eine bessere Silizium-LED macht, war eine ziemliche Verbesserung gegenüber früheren Berichten“, sagte Hauptforscher Jin Xue. Er fügte hinzu, dass die Silizium-LED auch schneller ein- und ausschalten konnte als erwartet. Das Team nutzte die LED, um Signale mit Frequenzen bis zu 250 Megahertz zu senden, was darauf hindeutet, dass die Technologie potenziell nicht nur für Sensing-Anwendungen, sondern auch für effiziente Datenübertragung genutzt werden könnte. Das Team plant, die Technologie weiterzuentwickeln. Aber, sagt Xue, „sie hat bereits großen Fortschritt gemacht.“

Zusätzlich zu günstigerer Fertigung könnte der Fortschritt auch die LED-Performance und -Effizienz verbessern, während Elektronik auf immer kleinere Skalen schrumpft. Das liegt daran, dass III-V-Halbleiter auf mikroskopischer Skala nicht-ideale Oberflächen haben, übersät mit „dangling bonds“, die Energie als Wärme statt als Licht verlieren lassen. Im Gegensatz dazu bildet Silizium eine sauberere Kristalloberfläche. „Wir können diese sehr sauberen Oberflächen nutzen“, sagte Professor Rajeev Ram. „Sie sind nützlich genug, um für diese Mikroskalen-Anwendungen wettbewerbsfähig zu sein.“ Es ermöglicht siliziumbasierten integrierten Schaltungen, direkt miteinander über Licht statt über elektrische Drähte zu kommunizieren. Das ist etwas überraschend, da Silizium ein indirektes Bandlücke hat und normalerweise kein Licht emittiert. Dieser Fortschritt stellt einen Schritt in Richtung siliziumbasierter Computer dar, die weniger auf elektronische Kommunikation angewiesen sind. Zum Beispiel träumt die Halbleiterindustrie seit langem von einer optischen CPU-Architektur. Der Bericht über siliziumbasierte Mikro-LEDs zeigt signifikanten Fortschritt in diesen Versuchen.