Este LED se puede integrar directamente en chips de computadora

Los diodos emisores de luz (LED) son importantes en muchas más aplicaciones además de la iluminación. Estas fuentes de luz también son útiles en microelectrónica. Los teléfonos inteligentes, por ejemplo, pueden usar un sensor de proximidad LED para determinar si está sosteniendo el teléfono junto a su cara (en cuyo caso, la pantalla se enciende). El LED envía un pulso de luz hacia tu cara, y un temporizador en el teléfono mide cuánto tarda esa luz en reflejarse, una medida de qué tan cerca está el teléfono de tu cara. Los LED también son útiles para medir distancias en cámaras con enfoque automático y reconocimiento de gestos.

Un problema con los LED:es difícil fabricarlos con silicio. Eso significa que los sensores LED deben fabricarse por separado del chip de procesamiento basado en silicio de su dispositivo, a menudo a un precio elevado. Pero eso podría cambiar algún día, gracias a una nueva investigación del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) del MIT.

Los investigadores han fabricado un chip de silicio con LED totalmente integrados, lo suficientemente brillantes como para permitir tecnologías de comunicación y sensores de última generación. El avance podría conducir no solo a una fabricación optimizada, sino también a un mejor rendimiento para la electrónica a nanoescala.

El silicio se usa ampliamente en chips de computadora porque es un material semiconductor abundante y barato. Pero a pesar de las excelentes propiedades electrónicas del silicio, no brilla del todo en lo que respecta a las propiedades ópticas:el silicio es una fuente de luz deficiente. Por lo tanto, los ingenieros eléctricos a menudo se alejan del material cuando necesitan conectar tecnologías LED al chip de computadora de un dispositivo.

El LED del sensor de proximidad de su teléfono inteligente, por ejemplo, está hecho de semiconductores III-V, llamados así porque contienen elementos de la tercera y quinta columnas de la tabla periódica. (El silicio está en la cuarta columna). Estos semiconductores son ópticamente más eficientes que el silicio:producen más luz a partir de una determinada cantidad de energía.

Y aunque el sensor de proximidad es una fracción del tamaño del procesador de silicio del teléfono, aumenta significativamente el costo total del teléfono. Se necesita un proceso de fabricación completamente diferente, y es una fábrica separada que fabrica esa pieza. Entonces, el objetivo del equipo de investigación era reunir todo esto en un solo sistema. Diseñaron un LED basado en silicio con uniones especialmente diseñadas para mejorar el brillo. Esto aumentó la eficiencia:el LED funciona a bajo voltaje, pero aun así produce suficiente luz para transmitir una señal a través de 5 metros de cable de fibra óptica. Además, los LED se fabricaron en una fundición comercial junto con otros componentes microelectrónicos de silicio, incluidos transistores y detectores de fotones. Si bien este LED no eclipsó del todo a un LED semiconductor III-V tradicional, superó fácilmente los intentos anteriores de LED basados ​​en silicio.

“Nuestro proceso de optimización de cómo hacer un mejor LED de silicio fue una gran mejora con respecto a los informes anteriores”, dijo el investigador principal Jin Xue. Agregó que el LED de silicio también podría encenderse y apagarse más rápido de lo esperado. El equipo usó el LED para enviar señales a frecuencias de hasta 250 megahercios, lo que indica que la tecnología podría usarse potencialmente no solo para aplicaciones de detección, sino también para una transmisión de datos eficiente. El equipo planea continuar desarrollando la tecnología. Pero, dice Xue, "ya ha hecho un gran progreso".

Además de una fabricación más barata, el avance también podría mejorar el rendimiento y la eficiencia de los LED a medida que la electrónica se reduce a escalas cada vez más pequeñas. Esto se debe a que, a escala microscópica, los semiconductores III-V tienen superficies no ideales, plagadas de "enlaces colgantes" que permiten que la energía se pierda en forma de calor en lugar de luz. Por el contrario, el silicio forma una superficie cristalina más limpia. “Podemos aprovechar esas superficies muy limpias”, dijo el profesor Rajeev Ram. "Es lo suficientemente útil como para ser competitivo en estas aplicaciones a microescala". Permite que los circuitos integrados de silicio se comuniquen entre sí directamente con luz en lugar de cables eléctricos. Esto es algo sorprendente ya que el silicio tiene una banda prohibida indirecta y normalmente no emite luz. Este avance representa un paso hacia las computadoras basadas en silicio que dependen menos de la comunicación electrónica. Por ejemplo, la industria de los semiconductores lleva mucho tiempo soñando con una arquitectura de CPU óptica. El informe de micro-LED basados ​​en silicio muestra un progreso significativo en estos intentos.