محققان MIT یک LED سیلیکونی روشن و کارآمد را – که در تصویر بالا قابل‌مشاهده است – تولید کرده‌اند که می‌تواند مستقیماً بر روی تراشه‌های رایانه ادغام شود. این موضوع می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش داده و عملکرد میکروالکترونیکی را که از LED برای سنجش یا ارتباط استفاده می‌کنند، بهبود بخشد.
این فناوری می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش دهد و اندازه میکروالکترونیک را برای سنجش و ارتباط کاهش دهد
دیودهای ساطع کننده نور (LEDها) می‌توانند چیزی بیشتر از روشنایی اتاق نشیمن شما باشند. این منابع نوری نیز می‌توانند میکروالکترونیک‌های مفیدی باشند.
به‌عنوان مثال، تلفن‌های هوشمند می‌توانند از یک سنسور مجاورت LED برای تعیین اینکه آیا تلفن را کنار صورت خود نگه دارید (که در این حالت صفحه خاموش است) استفاده می‌کنند. LED یک نور خاص به سمت صورت شما می‌فرستد و یک تایمر در تلفن مدت‌زمانی را که نور برای بازتاب به تلفن طول می‌کشد اندازه‌گیری می‌کند، این یک پروکسی برای نزدیک بودن تلفن به‌صورت شما است. LEDها برای اندازه‌گیری فاصله در دوربین‌های فوکوس خودکار و تشخیص حرکت نیز مفید هستند.
یک مشکل در مورد LEDها این است که تهیه آن‌ها از سیلیکون سخت است. این به آن معنی است که سنسورهای LED باید جدا از تراشه پردازش مبتنی بر سیلیکون دستگاه خود، اغلب با قیمت بسیار بالا تولید شوند اما اکنون و به لطف تحقیقات جدید آزمایشگاه الکترونیکی تحقیقات MIT (RLE)، این موضوع می‌تواند روزی تغییر کند.
محققان تراشه‌ای از سیلیکون با LEDهای کاملاً یکپارچه ساخته‌اند که به اندازه کافی روشن است و امکان تعبیه سنسورهای پیشرفته و فن‌آوری‌های ارتباطی را فراهم می‌کند. این موضوع می‌تواند نه تنها منجر به تولید ساده آن‌ها، که همچنین عملکرد بهتر برای الکترونیک در مقیاس نانو شود.
جین ژو، دانشجوی دکترا در RLE، این تحقیق را که در کنفرانس IEDM در ماه جاری ارائه شد رهبری کرد. از همکاران نویسنده MIT می‌توان به پروفسور راجئف رام که رهبر گروه اپتیکال فیزیکی و الکترونیکی در RLE است، و همچنین جائوان کیم، الکساندرا مستره، داد گِری، دانیلوس کرمنیک و امیر اتابکی اشاره کرد. از دیگر نویسندگان این کتاب می‌توان به کیان مینگ تان، دانیل چونگ، ساندیپتا روی، اچ نونگ، کی یونگ لیم و الگین کوئک از شرکت GLOBALFOUNDRIES اشاره کرد.
سیلیکون به‌طور گسترده‌ای در تراشه‌های رایانه استفاده می‌شود زیرا فراوان، ارزان و نیمه‌هادی است، به این معنی که می‌تواند به‌طور متناوب جریان الکترون را مسدود کرده و عبور دهد. این ظرفیت برای سوئیچ کردن بین «خاموش» و «روشن» زمینه‌ساز توانایی رایانه در انجام محاسبات است. اما با وجود ویژگی‌های الکترونیکی عالی سیلیکون، در مورد ویژگی‌های نوری کاملاً درخشان نمی‌شود. سیلیکون منبع نوری ضعیفی را ایجاد می‌کند بنابراین مهندسان برق در مواقع نیاز به اتصال فناوری‌های LED به تراشه رایانه دستگاه، معمولاً از این مواد دور می‌شوند.
دو تصویر زیر LED سیلیکونی روشن (چپ) و خاموش را نشان می‌دهد:
Xue یک LED مبتنی بر سیلیکون برای افزایش روشنایی طراحی کرده است
به‌عنوان مثال، LED موجود در حسگر مجاورت تلفن هوشمند شما از نیمه‌هادی‌های III-V ساخته شده است. چرا این‌گونه نامیده می‌شود؟ زیرا حاوی عناصر ستون‌های سوم و پنجم جدول تناوبی است. (سیلیکون در ستون چهارم است). این نیمه‌هادی‌ها از نظر نوری کارایی بالاتری نسبت به سیلیکون دارند. آن‌ها از مقدار معین انرژی، نور بیشتری را تولید می‌کنند. (شما نوری را که از سنسور مجاورت تولید می‌شود نمی‌بینید زیرا مادون‌قرمز است و قابل مشاهده نیست).
گرچه سنسور مجاورت کسری از اندازه پردازنده سیلیکون گوشی است، اما به‌طور کلی به هزینه کلی تلفن می‌افزاید. رام در این مورد گفته است:
یک فرایند ساخت کاملاً متفاوت وجود دارد که مورد نیاز ما است، و این یک کارخانه جداگانه است که در آن، یک قسمت از قطعات مورد نیاز را تولید می‌کند. بنابراین هدف این خواهد بود: آیا می‌توانید همه این‌ها را در یک سیستم قرار دهید؟ تیم ما این کار را انجام داد.
Xue یک LED مبتنی بر سیلیکون با اتصالات مهندسی‌شده خاص (تماس بین مناطق مختلف دیود) برای افزایش روشنایی طراحی کرده است. این افزایش کارایی LED در ولتاژ پایین کار می‌کند اما هنوز هم نور کافی برای انتقال سیگنال از طریق ۵ متر کابل فیبر نوری تولید می‌کند. به‌علاوه، GLOBALFOUNDRIES قطعات LEDها را درست در کنار سایر قطعات میکروالکترونیکی سیلیکون، از جمله ترانزیستورها و آشکارسازهای فوتون، تولید کرد. در حالی که LED Xue در مقایسه با LED نیمه‌هادی سنتی III-V کاملاً چشمگیر نبود، اما به‌راحتی تلاش‌های قبلی در مورد LEDهای مبتنی بر سیلیکون را شکست داد.
Xue گفته است:
روند بهینه‌سازی ما در مورد چگونگی ساخت LED سیلیکونی بهتر نسبت به گزارش‌های گذشته بسیار کارآمدتر شده است. LED سیلیکون نیز می‌تواند سریع‌تر از حد انتظار خاموش و روشن شود. تیم ما با استفاده از LED برای ارسال سیگنال در فرکانس‌های حداکثر ۲۵۰ مگاهرتز، نشان می‌دهد که این فناوری می‌تواند نه تنها برای سنجش برنامه‌ها، بلکه برای انتقال کارآمد داده‌ها نیز استفاده شود. تیم Xue قصد دارد به توسعه این فن‌آوری ادامه دهد. این پیشرفت بزرگی است.
در مقیاس میکروسکوپی، نیمه‌هادی‌های III-V دارای سطوح غیر ایده‌آل هستند
رام یک روز را در نظر می‌گیرد که می‌توان فناوری LED را درست بر روی پردازنده سیلیکون دستگاه قرار داد. این‌گونه دیگر نیازی به کارخانه جداگانه‌ای برای تولید قطعات خاص نیست. او گفته است:
این در یک فرایند میکروالکترونیک استاندارد طراحی شده است. این یک راه‌حل واقعاً یکپارچه است.
علاوه بر تولید ارزان‌تر، این موضوع همچنین می‌تواند عملکرد و بازده LED را کاهش دهد زیرا الکترونیک به مقیاس‌های کوچک‌تر تبدیل می‌شود. دلیل این امر این است که، در مقیاس میکروسکوپی، نیمه‌هادی‌های III-V دارای سطوح غیر ایده‌آل هستند که با «پیوندهای آویزان» پر شده است که به گفته رام، انرژی به‌عنوان گرما و نه به‌عنوان نور از بین می‌رود. در مقابل، سیلیکون یک سطح کریستال تمیزتر را تشکیل می‌دهد. رام می‌گوید:
ما می‌توانیم از این سطوح بسیار تمیز استفاده کنیم. این موضوع به اندازه کافی مفید است که برای این برنامه‌های ریز مقیاس قابل رقابت باشد.
مینگ وو، مهندس برق در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی که درگیر این تحقیق نبوده است، گفته است:
این یک پیشرفت مهم است. این فناوری اجازه می‌دهد تا مدارهای مجتمع سیلیکونی به جای سیم‌های الکتریکی مستقیماً با نور ارتباط برقرار کنند. این تا حدی تعجب‌آور است زیرا سیلیکون به‌طور معمول نور ساطع نمی‌کند.
چانگ وون لی، محقق اپتیک کاربردی در دانشگاه ملی هانبات که همچنین در این کار دخیل نبوده، گفته است:
«سیلیکون» جایگاه رتبه اول مواد سازنده دستگاه‌های الکترونیکی را اشغال می‌کند و بدون شک به سلطنت خود ادامه خواهد داد. با این حال، من با وو موافق هستم که این پیشرفت گامی به‌سوی رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون است که اعتماد کمتری به ارتباطات الکترونیکی دارند. به‌عنوان مثال، یک معماری CPU نوری وجود دارد که صنعت نیمه‌هادی رویای آن را داشته است. گزارش میکرو LEDهای مبتنی بر سیلیکون پیشرفت قابل توجهی در این تلاش‌ها را نشان می‌دهد.
رام اطمینان داد که تیمش می‌تواند به‌کارگیری فن‌آوری ادامه دهد به‌طوری که روزی LEDها با استاندارد ارزان در تراشه‌های سیلیکون ادغام می‌شوند. رام گفته است:
ما فکر نمی‌کنیم اکنون نزدیک به انتهای خط باشیم. ما ایده‌ها و نتایجی داریم که به پیشرفت‌های چشمگیر اشاره می‌کنند.
این تحقیق توسط آژانس علوم، فناوری و تحقیقات سنگاپور و بنیاد آموزشی Kwanjeong پشتیبانی شد.
نظرات