一个LED，可以直接集成到计算机芯片

发光二极管(led)的作用远不止照亮你的客厅。这些光源也是有用的微电子学。

例如，智能手机可以使用LED近距离传感器来判断你是否把手机贴近自己的脸(在这种情况下，屏幕会关闭)。LED会向你的脸上发出一束光，手机里的计时器会测量光线反射回手机需要多长时间，这是手机离你的脸有多近的一个代表。led还可以用于自动对焦相机的距离测量和手势识别。

led的一个问题是:很难用硅来制造它们。这意味着LED传感器必须与设备的硅基处理芯片分开生产，通常价格不菲。但有一天这种情况可能会改变，这要感谢麻省理工学院电子研究实验室(RLE)的一项新研究。

研究人员已经制造出一种集成led的硅芯片，其亮度足以使最先进的传感器和通信技术成为可能。这一进步不仅会导致生产流程的简化，还会提高纳米电子器件的性能。

罗勒学院的博士生金雪(音译)领导了这项研究，并在本周的IEDM会议上进行了展示。麻省理工学院的合著者包括Rajeev Ram教授，他领导着RLE的物理光学和电子学小组，以及Jaehwan Kim, Alexandra Mestre, Dodd Gray, Danielus Kramnik和Amir Atabaki。其他合著者包括Kian Ming Tan、Daniel Chong、Sandipta Roy、H. Nong、Khee Yong Lim和Elgin Quek，他们来自GLOBALFOUNDRIES公司。

硅被广泛应用于计算机芯片中，因为它储量丰富、价格低廉，而且是一种半导体，这意味着它可以交替地阻挡和允许电子流动。这种在“关”和“开”之间切换的能力是计算机进行计算能力的基础。但是，尽管硅具有优良的电子性能，但当它涉及到光学性能时，它并不是很亮——硅是一个很差的光源。因此，当电气工程师需要将LED技术连接到设备的计算机芯片上时，他们往往会避开这种材料。

例如，智能手机近距离传感器中的LED是由III-V半导体制成的，之所以这样称呼，是因为它们包含元素周期表第三和第五列的元素。(硅在第四列。)这些半导体比硅的光学效率更高——在给定的能量下，它们能产生更多的光。(你看不到近距离传感器发出的光，因为它是红外的，不可见。)

虽然近距离传感器只是手机硅处理器尺寸的一小部分，但它大大增加了手机的总体成本。Ram说:“我们需要一个完全不同的制造过程，这是一个单独的工厂来生产那部分零件。”“所以我们的目标是:你能把所有这些整合到一个系统中吗?”拉姆的团队就是这么做的。

薛锋设计了一种硅基LED，通过特殊设计的结(二极管不同区域之间的接触点)来提高亮度。这提高了效率:LED在低电压下工作，但仍能产生足够的光，通过5米长的光纤电缆传输信号。此外，GLOBALFOUNDRIES还与其他硅微电子元件(包括晶体管和光子探测器)一起生产led。虽然Xue的LED并没有完全超越传统的III-V半导体LED，但它轻松地击败了此前硅基LED的尝试。

“我们的优化过程，如何使更好的硅LED有相当的改善，比过去的报告，”薛说。他补充说，硅LED的开关速度也比预期的要快。该团队使用LED发送频率高达250兆赫兹的信号，表明该技术不仅可以用于传感应用，还可以用于高效数据传输。薛的团队计划继续开发这项技术。但是，他说，“这已经是很大的进步了。”

Ram设想有一天，LED技术可以直接集成到设备的硅处理器上——不需要单独的工厂。“这是按照标准微电子工艺设计的，”他说。“这是一个真正的综合解决方案。”

除了制造成本更低之外，随着电子产品尺寸越来越小，这一进步还可以改善LED的性能和效率。这是因为，在微观尺度下，III-V半导体具有非理想表面，充满了“悬垂键”，允许能量以热量而不是光的形式损失，Ram说。相比之下，硅形成了更干净的晶体表面。拉姆说:“我们可以利用这些非常干净的表面。”“它非常有用，足以在这些微尺度应用中具有竞争力。”

“这是一项重要的进展，”未参与这项研究的加州大学伯克利分校电气工程师吴明(音)说。“它允许硅集成电路用光而不是电线直接相互通信。这有点令人惊讶，因为硅有间接的带隙，通常不发光。”

同样没有参与这项工作的韩巴特国立大学(Hanbat National University)应用光学研究员李昌元(Chang-Won Lee)表示，硅“在电子设备中占据王者地位”，“毫无疑问”将继续占据其统治地位。不过，他同意吴的观点，认为这一进步代表着朝着硅基计算机的方向迈出了一步，从而减少了对电子通信的依赖。“例如，有一种光学CPU架构是半导体行业一直梦想的。硅基微发光二极管的报告显示了这些尝试的重大进展。”

Ram有信心他的团队可以继续优化这项技术，总有一天led会便宜而高效地集成到硅芯片中，成为行业标准。拉姆说:“我们不认为我们已经接近终点了。”“我们的想法和结果表明，情况有了显著改善。”

这项研究得到了新加坡科学技术研究局和宽亭教育基金会的支持。