Este LED pode ser integrado diretamente em chips de computador

Diodos emissores de luz — LEDs — são importantes em muitas outras aplicações do que apenas iluminação. Essas fontes de luz também são úteis em microeletrônica. Os smartphones, por exemplo, podem usar um sensor de proximidade de LED para determinar se você está segurando o telefone próximo ao seu rosto (nesse caso, a tela liga). O LED envia um pulso de luz em direção ao seu rosto e um cronômetro no telefone mede quanto tempo essa luz leva para refletir de volta, uma medida de quão perto o telefone está do seu rosto. Os LEDs também são úteis para medição de distância em câmeras com foco automático e reconhecimento de gestos.

Um problema com os LEDs:é difícil fazê-los de silício. Isso significa que os sensores de LED devem ser fabricados separadamente do chip de processamento baseado em silício do dispositivo, geralmente a um preço alto. Mas isso pode um dia mudar, graças a novas pesquisas do Laboratório de Pesquisa Eletrônica (RLE) do MIT.

Os pesquisadores fabricaram um chip de silício com LEDs totalmente integrados, brilhantes o suficiente para permitir sensores e tecnologias de comunicação de última geração. O avanço pode levar não apenas a uma fabricação simplificada, mas também a um melhor desempenho para eletrônicos em nanoescala.

O silício é amplamente utilizado em chips de computador porque é um material semicondutor abundante e barato. Mas, apesar das excelentes propriedades eletrônicas do silício, ele não brilha quando se trata de propriedades ópticas – o silício é uma fonte de luz fraca. Portanto, os engenheiros elétricos geralmente se afastam do material quando precisam conectar tecnologias de LED ao chip de computador de um dispositivo.

O LED do sensor de proximidade do seu smartphone, por exemplo, é feito de semicondutores III-V, assim chamados porque contêm elementos da terceira e quinta colunas da tabela periódica. (O silício está na quarta coluna.) Esses semicondutores são opticamente mais eficientes que o silício - eles produzem mais luz a partir de uma determinada quantidade de energia.

E embora o sensor de proximidade seja uma fração do tamanho do processador de silício do telefone, ele aumenta significativamente o custo geral do telefone. Há um processo de fabricação totalmente diferente que é necessário, e é uma fábrica separada que fabrica essa peça. Então, o objetivo da equipe de pesquisa era juntar tudo isso em um sistema. Eles projetaram um LED à base de silício com junções especialmente projetadas para aumentar o brilho. Isso aumentou a eficiência:o LED opera em baixa tensão, mas ainda produz luz suficiente para transmitir um sinal através de 5 metros de cabo de fibra óptica. Além disso, os LEDs foram fabricados em uma fundição comercial ao lado de outros componentes microeletrônicos de silício, incluindo transistores e detectores de fótons. Embora esse LED não tenha superado um LED semicondutor tradicional III-V, ele superou facilmente as tentativas anteriores de LEDs baseados em silício.

“Nosso processo de otimização de como fazer um LED de silício melhor foi uma grande melhoria em relação aos relatórios anteriores”, disse o pesquisador principal Jin Xue. Ele acrescentou que o LED de silício também pode ligar e desligar mais rápido do que o esperado. A equipe usou o LED para enviar sinais em frequências de até 250 megahertz, indicando que a tecnologia poderia ser usada não apenas para aplicações de detecção, mas também para transmissão de dados eficiente. A equipe planeja continuar desenvolvendo a tecnologia. Mas, diz Xue, “já fez um grande progresso”.

Além da fabricação mais barata, o avanço também pode melhorar o desempenho e a eficiência do LED, à medida que os eletrônicos encolhem para escalas cada vez menores. Isso porque, em escala microscópica, os semicondutores III-V têm superfícies não ideais, repletas de “ligações pendentes” que permitem que a energia seja perdida como calor e não como luz. Em contraste, o silício forma uma superfície cristalina mais limpa. “Podemos tirar proveito dessas superfícies muito limpas”, disse o professor Rajeev Ram. “É útil o suficiente para ser competitivo para esses aplicativos de microescala.” Ele permite que os circuitos integrados de silício se comuniquem diretamente com a luz em vez de fios elétricos. Isso é um tanto surpreendente, pois o silício tem um bandgap indireto e normalmente não emite luz. Esse avanço representa um passo em direção a computadores baseados em silício que são menos dependentes de comunicação eletrônica. Por exemplo, a indústria de semicondutores há muito sonha com uma arquitetura de CPU óptica. O relatório de micro-LEDs baseados em silício mostra um progresso significativo nessas tentativas.