Integrando LEDs directamente en CPUs: Revolucionando el diseño de chips

Los diodos emisores de luz — LEDs — son importantes en muchas más aplicaciones que solo iluminación. Estas fuentes de luz son útiles en microelectrónica también. Los smartphones, por ejemplo, pueden usar un sensor de proximidad LED para determinar si estás sosteniendo el teléfono junto a tu 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 de vuelta, una medida de qué tan cerca está el teléfono de tu cara. Los LEDs también son útiles para medición de distancia en cámaras de autofoco y reconocimiento de gestos.

Un problema con los LEDs: Es difícil hacerlos de 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 nueva investigación del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) del MIT.

Investigadores han fabricado un chip de silicio con LEDs completamente integrados, lo suficientemente brillantes para permitir tecnologías de sensores y comunicación de vanguardia. El avance podría llevar no solo a manufactura simplificada, sino también a mejor rendimiento para electrónica nanoescala.

El silicio es ampliamente usado en chips de computadora porque es un material semiconductor abundante y barato. Pero a pesar de las excelentes propiedades electrónicas del silicio, no brilla cuando se trata de propiedades ópticas — el silicio hace una mala fuente de luz. Así que los ingenieros eléctricos a menudo se alejan del material cuando necesitan conectar tecnologías LED al chip de computadora de un dispositivo.

El LED en el sensor de proximidad de tu smartphone, por ejemplo, está hecho de semiconductores III-V, llamados así porque contienen elementos de las columnas tercera y quinta de la tabla periódica. (El silicio está en la cuarta columna.) Estos semiconductores son más eficientes ópticamente que el silicio — producen más luz de una cantidad dada de energía.

Y aunque el sensor de proximidad es una fracción del tamaño del procesador de silicio del teléfono, añade significativamente al costo total del teléfono. Hay un proceso de fabricación completamente diferente que se necesita, y es una fábrica separada la que manufactura esa una parte. Así que, el objetivo del equipo de investigación era poner todo esto junto en un sistema. Diseñaron un LED basado en silicio con uniones especialmente diseñadas para mejorar el brillo. Esto aumentó la eficiencia: El LED opera a bajo voltaje, pero aún produce suficiente luz para transmitir una señal a través de 5 metros de cable de fibra óptica. Además, los LEDs fueron manufacturados en una fundición comercial junto a otros componentes microelectrónicos de silicio, incluyendo transistores y detectores de fotones. Aunque este LED no superó del todo a un LED tradicional de semiconductor III-V, fácilmente superó intentos previos de LEDs basados en silicio.

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

Además de manufactura más barata, el avance también podría mejorar rendimiento y eficiencia de LEDs a medida que la electrónica se encoge a escalas cada vez menores. Eso es porque, a escala microscópica, los semiconductores III-V tienen superficies no ideales, llenas de "enlaces colgantes" que permiten que la energía se pierda como calor en lugar de luz. En contraste, el silicio forma una superficie de cristal más limpia. "Podemos aprovechar esas superficies muy limpias", dijo el Profesor Rajeev Ram. "Es lo suficientemente útil para ser competitivo para estas aplicaciones a microescala." Permite que 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 computadoras basadas en silicio que dependen menos de comunicación electrónica. Por ejemplo, la industria de semiconductores ha soñado largo tiempo con una arquitectura CPU óptica. El reporte de micro-LEDs basados en silicio muestra progreso significativo en estos intentos.