發(fā)光二極管（LED）的作用遠不止照亮您的客廳。這些光源也是有用的微電子學(xué)。

　　

　　例如，智能手機可以使用LED接近傳感器來確定您是否將手機握在臉部附近（在這種情況下，屏幕將關(guān)閉）。LED向您的臉部發(fā)送光脈沖，電話中的計時器測量該光反射回電話所需的時間，該距離表示電話與您的臉有多近。LED還可以方便地用于自動對焦相機中的距離測量和手勢識別。

　　

　　LED的一個問題：很難用硅制成。這意味著LED傳感器必須與其設(shè)備的基于硅的處理芯片分開制造，而且價格通常很高。但是，得益于麻省理工學(xué)院電子研究實驗室（RLE）的最新研究，這一情況可能有一天會改變。

　　

　　研究人員制造了具有完全集成的LED的硅芯片，其亮度足以實現(xiàn)最新的傳感器和通信技術(shù)。這種進步不僅可以簡化生產(chǎn)流程，還可以提高納米級電子產(chǎn)品的性能。

　　

　　RLE的博士生Jin Xue領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，該研究將在本周的IEDM會議上進行介紹。麻省理工學(xué)院的合著者包括RLE物理光學(xué)和電子學(xué)小組的拉杰夫·拉姆教授，以及Jaehwan Kim，Alexandra Mestre，Dodd Gray，Danielus Kramnik和Amir Atabaki。其他合著者包括GLOBALFOUNDRIES公司的Kian Ming Tan，Daniel Chong，Sandipta Roy，H.Nong，Khee Yong Lim和Elgin Quek。

　　

　　硅由于其價格便宜，價格低廉且是半導(dǎo)體而被廣泛用于計算機芯片，這意味著硅可以交替阻擋電子并允許其流動。這種在“關(guān)閉”和“打開”之間切換的能力是計算機執(zhí)行計算的能力的基礎(chǔ)。但是，盡管硅具有出色的電子性能，但就光學(xué)性能而言卻并不發(fā)光-硅構(gòu)成了不良的光源。因此，電氣工程師在需要將LED技術(shù)連接到設(shè)備的計算機芯片時經(jīng)常會放棄使用這種材料。

　　

　　例如，您的智能手機接近傳感器中的LED由III-V半導(dǎo)體制成，之所以被稱為是因為它們包含元素周期表第三和第五列中的元素。（硅在第四欄中。）這些半導(dǎo)體的光學(xué)效率比硅高-它們從給定的能量中產(chǎn)生更多的光。（您看不到接近傳感器發(fā)出的光，因為它是紅外線，不可見。）

　　

　　而且，盡管接近傳感器只是手機硅處理器尺寸的一小部分，但它顯著增加了手機的整體成本。拉姆說：“需要一個完全不同的制造過程，并且是由一個單獨的工廠來制造那個零件?！?“因此目標將是：您能否將所有這些整合到一個系統(tǒng)中？” Ram的團隊就是這樣做的。

　　

　　Xue設(shè)計了一種硅基LED，具有經(jīng)過特殊設(shè)計的結(jié)點（二極管不同區(qū)域之間的觸點），以提高亮度。這提高了效率：LED在低電壓下工作，但仍然產(chǎn)生足夠的光以通過5米的光纜傳輸信號。另外，GLOBALFOUNDRIES與其他硅微電子組件（包括晶體管和光子探測器）一起制造了LED。盡管薛的LED并沒有比傳統(tǒng)的III-V半導(dǎo)體LED更好，但它很容易擊敗了先前基于硅的LED的嘗試。

　　

　　“我們?nèi)绾蝺?yōu)化硅LED的優(yōu)化過程比以往的報告有了很大的改進，”薛說。他補充說，硅LED的開啟和關(guān)閉速度也可能比預(yù)期的快。該團隊使用LED發(fā)送頻率高達250兆赫茲的信號，表明該技術(shù)不僅可以用于傳感應(yīng)用，而且還可以用于有效的數(shù)據(jù)傳輸。薛的團隊計劃繼續(xù)開發(fā)該技術(shù)。但是，他說，“這已經(jīng)是很大的進步?！?/p>

　　

　　Ram設(shè)想有一天可以將LED技術(shù)直接構(gòu)建在設(shè)備的硅處理器上，而無需單獨的工廠。他說：“這是按照標準的微電子工藝設(shè)計的?！?“這是一個真正的集成解決方案。”

　　

　　除了更便宜的制造外，隨著電子產(chǎn)品縮小到越來越小的規(guī)模，這種進步還可以提高LED的性能和效率。這是因為在微觀尺度上，III-V族半導(dǎo)體具有非理想的表面，上面布滿了“懸空鍵”，這些懸空鍵使能量以熱量而非光的形式損失。相反，硅形成較干凈的晶體表面?！拔覀兛梢岳媚切┓浅８蓛舻谋砻?，” Ram說?！八阋栽谶@些微型應(yīng)用程序中具有競爭力?！?/p>

　　

　　加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程師吳明（Ming Wu）說：“這是一項重要的發(fā)展?！?“它允許硅集成電路與光而不是電線直接彼此通信。這有點令人驚訝，因為硅具有間接帶隙并且通常不發(fā)光?！?/p>

　　

　　漢巴特國立大學(xué)（Hanbat National University）的應(yīng)用光學(xué)研究員李昌元（Chang-Won Lee）說，硅“將占據(jù)電子設(shè)備的王冠”將繼續(xù)其統(tǒng)治地位，這一點毫無疑問。他也沒有參與這項工作。但是，他同意Wu的觀點，這種進步代表了向不依賴電子通信的基于硅的計算機邁出的一步?！袄纾雽?dǎo)體行業(yè)一直夢is以求的是光學(xué)CPU體系結(jié)構(gòu)。基于硅的微型LED的報告顯示了這些嘗試中的重大進展?！?/p>

　　

　　Ram相信他的團隊可以繼續(xù)對技術(shù)進行微調(diào)，因此有一天LED將作為行業(yè)標準廉價而有效地集成到硅芯片中。拉姆說：“我們認為我們離終點線不遠?！?“我們的想法和結(jié)果指出了重大的改進?！?/p>

　　

　　這項研究得到了新加坡科學(xué)技術(shù)研究局和關(guān)正教育基金會的支持。