Integrando LEDs Diretamente em CPUs: Revolucionando Design de Chips

Diodos emissores de luz — LEDs — são importantes em muitas mais aplicações do que apenas iluminação. Estas fontes de luz são úteis em microeletrônica também. Smartphones, por exemplo, podem usar um sensor de proximidade 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 temporizador no telefone mede quanto tempo leva para aquela luz refletir de volta, uma medida de quão perto o telefone está do seu rosto. LEDs também são úteis para medição de distância em câmeras de autofoco e reconhecimento de gestos.

Um problema com LEDs: É difícil fazê-los de silício. Isso significa que sensores LED devem ser fabricados separadamente do chip de processamento baseado em silício do dispositivo, muitas vezes a um preço alto. Mas isso poderia um dia mudar, graças a nova pesquisa do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE) do MIT.

Pesquisadores fabricaram um chip de silício com LEDs totalmente integrados, brilhantes o suficiente para permitir tecnologias de sensor e comunicação de ponta. O avanço poderia levar não apenas a manufatura simplificada, mas também melhor desempenho para eletrônica nanoescala.

Silício é amplamente usado 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 — silício faz uma fonte de luz pobre. Então engenheiros elétricos frequentemente se afastam do material quando precisam conectar tecnologias LED ao chip de computador de um dispositivo.

O LED no 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.) Estes semicondutores são mais eficientes opticamente que o silício — eles produzem mais luz de uma dada quantidade de energia.

E embora o sensor de proximidade seja uma fração do tamanho do processador de silício do telefone, ele adiciona significativamente ao custo geral do telefone. Há um processo de fabricação inteiramente diferente necessário, e é uma fábrica separada que fabrica aquela única parte. Então, o objetivo da equipe de pesquisa era juntar tudo isso em um sistema. Eles projetaram um LED baseado em silício com junções especialmente projetadas para aumentar brilho. Isso aumentou a eficiência: O LED opera em baixa voltagem, 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 bem ao lado de outros componentes microeletrônicos de silício, incluindo transistores e detectores de fótons. Embora este LED não tenha superado completamente um LED de semicondutor III-V tradicional, ele facilmente superou tentativas anteriores de LEDs baseados em silício.

"Nosso processo de otimização de como fazer um melhor LED de silício foi uma melhoria significativa sobre relatórios passados," disse o pesquisador líder Jin Xue. Ele adicionou que o LED de silício também poderia ligar e desligar mais rápido que o esperado. A equipe usou o LED para enviar sinais em frequências até 250 megahertz, indicando que a tecnologia poderia potencialmente ser usada não apenas para aplicações de sensoriamento, mas também para transmissão de dados eficiente. A equipe planeja continuar desenvolvendo a tecnologia. Mas, Xue diz, "já fez grande progresso."

Além de manufatura mais barata, o avanço também poderia melhorar desempenho e eficiência de LED à medida que eletrônicos encolhem para escalas cada vez menores. Isso é porque, em escala microscópica, semicondutores III-V têm superfícies não ideais, cheias de "ligações pendentes" que permitem energia ser perdida como calor em vez de luz. Em contraste, silício forma uma superfície de cristal mais limpa. "Podemos tirar vantagem daquelas superfícies muito limpas," disse o Professor Rajeev Ram. "É útil o suficiente para ser competitivo para estas aplicações em microescala." Permite circuitos integrados de silício se comunicarem uns com os outros diretamente com luz em vez de fios elétricos. Isso é um pouco surpreendente já que silício tem um bandgap indireto e normalmente não emite luz. Este avanço representa um passo em direção a computadores baseados em silício que são menos dependentes de comunicação eletrônica. Por exemplo, a indústria de semicondutores tem sonhado por muito tempo com uma arquitetura de CPU óptica. O relatório de micro-LEDs baseados em silício mostra progresso significativo nestas tentativas.