CPUにLEDを直接統合：チップ設計に革命

発光ダイオード（LED）は照明以上の多くのアプリケーションで重要です。これらの光源はマイクロエレクトロニクスでも有用です。スマートフォンは例えば、LED近接センサーを使用して、電話を顔の横に持っているかどうかを判断します（その場合画面がオンになります）。LEDは顔に向けて光パルスを送信し、電話内のタイマーがその光が反射して戻るまでの時間を測定し、電話が顔からどれくらい近いかを測ります。LEDはオートフォーカスカメラの距離測定やジェスチャー認識にも便利です。

LEDの問題点の1つ：シリコンから作るのが難しいことです。つまり、LEDセンサーはデバイスのシリコンベース処理チップとは別に製造しなければならず、多くの場合高コストです。しかし、MITのResearch Laboratory of Electronics（RLE）の新研究により、それがいつか変わるかもしれません。

研究者たちは、最先端のセンサーと通信技術を可能にする十分な明るさの、完全に統合されたLEDを備えたシリコンチップを作製しました。この進歩は、製造の合理化だけでなく、ナノスケールエレクトロニクスの性能向上にもつながる可能性があります。

シリコンは豊富で安価な半導体材料であるため、コンピュータチップに広く使用されています。しかし優れた電子的特性にもかかわらず、光学的特性ではそれほど輝きません——シリコンは貧弱な光源です。そのため電気エンジニアは、デバイスのコンピュータチップにLED技術を接続する必要があるとき、しばしばシリコンから目を背けます。

例えばスマートフォンの近接センサーのLEDは、周期表の第3族と第5族の元素を含むためIII-V族半導体と呼ばれます（シリコンは第4族です）。これらの半導体はシリコンより光学的に効率的です——与えられたエネルギーからより多くの光を生成します。

近接センサーは電話のシリコンプロセッサの一部に過ぎませんが、電話の全体コストに大きく加算されます。まったく異なる製造プロセスが必要で、その1つの部品を製造する別の工場があります。そのため研究チームの目標は、これらすべてを1つのシステムにまとめることでした。彼らは、輝度を高めるために特別に設計された接合を持つシリコンベースLEDを設計しました。これにより効率が向上：LEDは低電圧で動作しますが、5メートルの光ファイバーケーブルを通じて信号を伝送するのに十分な光を生成します。さらに、LEDはトランジスタや光子検出器などの他のシリコンマイクロエレクトロニクスコンポーネントとともに、商用ファウンドリで製造されました。このLEDは従来のIII-V族半導体LEDにはまだ及びませんでしたが、過去のシリコンベースLEDの試みを容易に上回りました。

「より良いシリコンLEDの作り方の最適化プロセスは、過去の報告にかなりの改善でした」と主任研究者Jin Xue氏は述べています。彼はまた、シリコンLEDが予想より速くオン/オフ切り替えできることも付け加えました。チームはLEDを使用して最大250メガヘルツの周波数で信号を送信し、この技術がセンシングアプリケーションだけでなく、効率的なデータ伝送にも潜在的に使用できることを示しました。チームは技術開発を継続する予定ですが、Xue氏は「すでに大きな進歩を遂げています」と言います。

製造コスト削減に加え、この進歩はエレクトロニクスがさらに微小スケールに縮小するにつれて、LED性能と効率も向上させる可能性があります。それは微視的スケールでは、III-V族半導体が非理想的な表面を持ち、「ダングリングボンド」で溢れ、エネルギーが光ではなく熱として失われるためです。対照的に、シリコンはよりクリーンな結晶表面を形成します。「それらの非常にクリーンな表面を活用できます」とRajeev Ram教授は言います。「これらのマイクロスケールアプリケーションで競争力を持つのに十分有用です。」これにより、シリコン集積回路が電気配線ではなく光で直接相互通信できるようになります。シリコンは間接遷移型バンドギャップを持ち、通常光を発しないため、これはある種驚きです。この進歩は、光CPUアーキテクチャを長年夢見てきた半導体業界にとって、シリコンベースマイクロLEDの報告がこれらの試みにおける顕著な進歩を示しています。