可直接集成到计算机芯片中的LED
发光二极管（LED）的作用远不止照亮您的客厅。这些光源也是有用的微电子学。
例如，智能手机可以使用LED接近传感器来确定您是否将手机握在脸部附近（在这种情况下，屏幕将关闭）。LED向您的脸部发送光脉冲，电话中的计时器测量该光反射回电话所需的时间，该距离表示电话与您的脸有多近。LED还可以方便地用于自动对焦相机中的距离测量和手势识别。
LED的一个问题：很难用硅制成。这意味着LED传感器必须与其设备的基于硅的处理芯片分开制造，而且价格通常很高。但是，得益于麻省理工学院电子研究实验室（RLE）的最新研究，这一情况可能有一天会改变。
研究人员制造了具有完全集成的LED的硅芯片，其亮度足以实现最新的传感器和通信技术。这种进步不仅可以简化生产流程，还可以提高纳米级电子产品的性能。
RLE的博士生Jin Xue领导了这项研究，该研究将在本周的IEDM会议上进行介绍。麻省理工学院的合著者包括RLE物理光学和电子学小组的拉杰夫·拉姆教授，以及Jaehwan Kim，Alexandra Mestre，Dodd Gray，Danielus Kramnik和Amir Atabaki。其他合著者包括GLOBALFOUNDRIES公司的Kian Ming Tan，Daniel Chong，Sandipta Roy，H.Nong，Khee Yong Lim和Elgin Quek。
硅由于其价格便宜，价格低廉且是半导体而被广泛用于计算机芯片，这意味着硅可以交替阻挡电子并允许其流动。这种在“关闭”和“打开”之间切换的能力是计算机执行计算的能力的基础。但是，尽管硅具有出色的电子性能，但就光学性能而言却并不发光-硅构成了不良的光源。因此，电气工程师在需要将LED技术连接到设备的计算机芯片时经常会放弃使用这种材料。
例如，您的智能手机接近传感器中的LED由III-V半导体制成，之所以被称为是因为它们包含元素周期表第三和第五列中的元素。（硅在第四栏中。）这些半导体的光学效率比硅高-它们从给定的能量中产生更多的光。（您看不到接近传感器发出的光，因为它是红外线，不可见。）
而且，尽管接近传感器只是手机硅处理器尺寸的一小部分，但它显着增加了手机的整体成本。拉姆说：“需要一个完全不同的制造过程，并且是由一个单独的工厂来制造那个零件。” “因此目标将是：您能否将所有这些整合到一个系统中？” Ram的团队就是这样做的。
Xue设计了一种硅基LED，具有经过特殊设计的结点（二极管不同区域之间的触点），以提高亮度。这提高了效率：LED在低电压下工作，但仍然产生足够的光以通过5米的光缆传输信号。另外，GLOBALFOUNDRIES与其他硅微电子组件（包括晶体管和光子探测器）一起制造了LED。尽管薛的LED并没有比传统的III-V半导体LED更好，但它很容易击败了先前基于硅的LED的尝试。
“我们如何优化硅LED的优化过程比以往的报告有了很大的改进，”薛说。他补充说，硅LED的开启和关闭速度也可能比预期的快。该团队使用LED发送频率高达250兆赫兹的信号，表明该技术不仅可以用于传感应用，而且还可以用于有效的数据传输。薛的团队计划继续开发该技术。但是，他说，“这已经是很大的进步。”
Ram设想有一天可以将LED技术直接构建在设备的硅处理器上，而无需单独的工厂。他说：“这是按照标准的微电子工艺设计的。” “这是一个真正的集成解决方案。”
除了更便宜的制造外，随着电子产品缩小到越来越小的规模，这种进步还可以提高LED的性能和效率。这是因为在微观尺度上，III-V族半导体具有非理想的表面，上面布满了“悬空键”，这些悬空键使能量以热量而非光的形式损失。相反，硅形成较干净的晶体表面。“我们可以利用那些非常干净的表面，” Ram说。“它足以在这些微型应用程序中具有竞争力。”
加州大学伯克利分校的电气工程师吴明（Ming Wu）说：“这是一项重要的发展。” “它允许硅集成电路与光而不是电线直接彼此通信。这有点令人惊讶，因为硅具有间接带隙并且通常不发光。”
汉巴特国立大学（Hanbat National University）的应用光学研究员李昌元（Chang-Won Lee）说，硅“将占据电子设备的王冠”将继续其统治地位，这一点毫无疑问。他也没有参与这项工作。但是，他同意Wu的观点，这种进步代表了向不依赖电子通信的基于硅的计算机迈出的一步。“例如，半导体行业一直梦is以求的是光学CPU体系结构。基于硅的微型LED的报告显示了这些尝试中的重大进展。”
Ram相信他的团队可以继续对技术进行微调，因此有一天LED将作为行业标准廉价而有效地集成到硅芯片中。拉姆说：“我们认为我们离终点线不远。” “我们的想法和结果指出了重大的改进。”
这项研究得到了新加坡科学技术研究局和关正教育基金会的支持。
