LED entwickelt, die direkt in Computerchips integriert werden kann

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Der Fortschritt könnte die Produktionskosten senken und die Größe der Mikroelektronik für Sensorik und Kommunikation reduzieren.
Licht emittierende Dioden – LEDs – können weit mehr als nur Ihr Wohnzimmer beleuchten.

Diese Lichtquellen sind auch nützliche Mikroelektronik.
Smartphones können zum Beispiel einen LED-Näherungssensor verwenden, um festzustellen, ob Sie das Telefon an Ihr Gesicht halten (in diesem Fall schaltet sich der Bildschirm aus).

Die LED sendet einen Lichtimpuls in Richtung Ihres Gesichts, und ein Timer im Telefon misst, wie lange es dauert, bis das Licht zum Telefon zurückreflektiert wird, ein Indikator dafür, wie nah das Telefon an Ihrem Gesicht ist. LEDs sind auch praktisch für die Abstandsmessung in Autofokus-Kameras und Gestenerkennung.

Ein Problem mit LEDs: Es ist schwierig, sie aus Silizium herzustellen.

Das bedeutet, dass LED-Sensoren separat vom Silizium-basierten Verarbeitungschip des Geräts hergestellt werden müssen, was oft einen hohen Preis hat.

Aber das könnte sich eines Tages ändern, dank neuer Forschungsergebnisse des MIT Research Laboratory of Electronics (RLE).
Die Forscher haben einen Silizium-Chip mit voll integrierten LEDs hergestellt, der hell genug ist, um modernste Sensor- und Kommunikationstechnologien zu ermöglichen.

Dieser Fortschritt könnte nicht nur zu einer rationelleren Herstellung, sondern auch zu einer besseren Leistung für nanoskalige Elektronik führen.
Jin Xue, ein Doktorand in RLE, leitete die Forschung, die auf der IEDM-Konferenz in diesem Monat vorgestellt wurde. Zu den MIT-Koautoren gehörten Professor Rajeev Ram, der die Physical Optics and Electronics Group in RLE leitet, sowie Jaehwan Kim, Alexandra Mestre, Dodd Gray, Danielus Kramnik und Amir Atabaki. Weitere Co-Autoren waren Kian Ming Tan, Daniel Chong, Sandipta Roy, H. Nong, Khee Yong Lim und Elgin Quek, von der Firma GLOBALFOUNDRIES.
Silizium ist in Computerchips weit verbreitet, weil es reichlich vorhanden, billig und ein Halbleiter ist, was bedeutet, dass es den Fluss von Elektronen abwechselnd blockieren und erlauben kann.

Diese Fähigkeit, zwischen “Aus” und “Ein” zu wechseln, liegt der Fähigkeit eines Computers zugrunde, Berechnungen durchzuführen.

Doch trotz der hervorragenden elektronischen Eigenschaften von Silizium glänzt es nicht ganz so sehr bei den optischen Eigenschaften – Silizium ist eine schlechte Lichtquelle. Deshalb wenden sich Elektroingenieure oft von dem Material ab, wenn sie LED-Technologien mit dem Computerchip eines Geräts verbinden müssen.

Die LED im Näherungssensor Ihres Smartphones zum Beispiel besteht aus III-V-Halbleitern, die so heißen, 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. (Sie sehen das vom Näherungssensor erzeugte Licht nicht, weil es infrarot und nicht sichtbar ist.)
Und obwohl der Näherungssensor nur einen Bruchteil der Größe des Silizium-Prozessors 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”, sagt Ram. “Das Ziel wäre also: Kann man das alles in einem System zusammenfassen?” Rams Team hat genau das getan.
Xue entwarf eine siliziumbasierte LED mit speziell entwickelten Übergängen – den Kontakten zwischen verschiedenen Zonen der Diode – um die Helligkeit zu erhöhen.

Dies steigerte die Effizienz: Die LED arbeitet mit niedriger Spannung, erzeugt aber immer noch genug Licht, um ein Signal durch fünf Meter Glasfaserkabel zu übertragen. Außerdem stellte GLOBALFOUNDRIES die LEDs direkt neben anderen mikroelektronischen Siliziumkomponenten her, darunter Transistoren und Photonendetektoren.

Obwohl Xues LED eine traditionelle III-V-Halbleiter-LED nicht ganz in den Schatten stellte, schlug sie frühere Versuche mit siliziumbasierten LEDs deutlich.
“Unser Optimierungsprozess, wie man eine bessere Silizium-LED herstellt, hatte eine ziemliche Verbesserung gegenüber früheren Berichten”, sagt Xue. Er fügt hinzu, dass die Silizium-LED auch schneller als erwartet ein- und ausschalten konnte.

Das Team nutzte die LED, um Signale mit Frequenzen von bis zu 250 Megahertz zu senden, was darauf hindeutet, dass die Technologie möglicherweise nicht nur für Sensoranwendungen, sondern auch für eine effiziente Datenübertragung genutzt werden könnte. Das Team von Xue plant, die Technologie weiter zu entwickeln.

Aber, so sagt er, “es ist bereits ein großer Fortschritt”.
Ram stellt sich den Tag vor, an dem die LED-Technologie direkt in den Siliziumprozessor eines Geräts eingebaut werden kann – eine separate Fabrik ist nicht nötig. “Das wird in einem Standard-Mikroelektronik-Prozess entwickelt”, sagt er. “Es ist eine wirklich integrierte Lösung.”
Neben der günstigeren Herstellung könnte der Fortschritt auch die Leistung und Effizienz von LEDs verbessern, da die Elektronik immer kleiner wird.

Das liegt daran, dass III-V-Halbleiter auf mikroskopischer Ebene nicht ideale Oberflächen haben, die mit “baumelnden Bindungen” übersät sind, die dazu führen, dass Energie als Wärme und nicht als Licht verloren geht, so Ram.

Im Gegensatz dazu bildet Silizium eine saubere Kristalloberfläche. “Wir können diese sehr sauberen Oberflächen ausnutzen”, sagt Ram. “Das ist nützlich genug, um für diese mikroskaligen Anwendungen konkurrenzfähig zu sein.”
“Das ist eine wichtige Entwicklung”, sagt Ming Wu, ein Elektroingenieur an der Universi

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