Integrasi LED Langsung ke dalam CPU: Merevolusi Desain Chip
Dioda Pemancar Cahaya — LED — penting dalam banyak aplikasi lebih dari sekadar pencahayaan. Sumber cahaya ini juga berguna dalam mikroelektronika. Smartphone, misalnya, dapat menggunakan sensor proximitas LED untuk menentukan apakah Anda memegang ponsel di dekat wajah Anda (dalam hal ini layar menyala). LED mengirimkan impuls cahaya menuju wajah Anda, dan timer di ponsel mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya untuk memantul kembali, ukuran seberapa dekat ponsel ke wajah Anda. LED juga berguna untuk pengukuran jarak di kamera autofocus dan pengenalan gerak.
Salah satu masalah dengan LED: Sulit untuk membuatnya dari silikon. Itu berarti sensor LED harus diproduksi terpisah dari chip pemrosesan berbasis silikon perangkatnya, sering kali dengan harga yang mahal. Tetapi itu bisa berubah suatu hari, berkat penelitian baru dari Research Laboratory of Electronics (RLE) MIT.
Peneliti telah memproduksi chip silikon dengan LED sepenuhnya terintegrasi, cukup terang untuk memungkinkan teknologi sensor dan komunikasi terdepan. Kemajuan ini dapat mengarah pada tidak hanya manufaktur yang lebih efisien, tetapi juga performa yang lebih baik untuk elektronik skala nano.
Silikon banyak digunakan dalam chip komputer karena merupakan bahan semikonduktor yang melimpah dan murah. Namun, meskipun properti elektronik silikon yang unggul, ia tidak begitu mengilap ketika berbicara tentang properti optik — silikon menjadi sumber cahaya yang buruk. Jadi insinyur listrik sering kali menghindari bahan ini ketika mereka perlu menghubungkan teknologi LED ke chip komputer perangkat.
LED di sensor proximitas smartphone Anda, misalnya, terbuat dari semikonduktor III-V, dinamakan demikian karena mengandung elemen dari kolom ketiga dan kelima tabel periodik. (Silikon ada di kolom keempat.) Semikonduktor ini lebih efisien optik daripada silikon — mereka menghasilkan lebih banyak cahaya dari jumlah energi yang diberikan.
Dan sementara sensor proximitas adalah sepersejuk dari ukuran prosesor silikon ponsel, ia menambahkan secara signifikan pada biaya keseluruhan ponsel. Ada proses pembuatan yang sepenuhnya berbeda yang dibutuhkan, dan itu adalah pabrik terpisah yang memproduksi bagian itu. Jadi, tujuan tim peneliti adalah untuk menggabungkan semuanya ini dalam satu sistem. Mereka merancang LED berbasis silikon dengan junjungan yang dirancang secara khusus untuk meningkatkan kecerahan. Ini meningkatkan efisiensi: LED beroperasi pada tegangan rendah, tetapi masih menghasilkan cukup cahaya untuk mentransmisikan sinyal melalui 5 meter kabel serat optik. Plus, LED diproduksi di pabrik komersial tepat bersama komponen mikroelektronika silikon lainnya, termasuk transistor dan detektor foton. Meskipun LED ini tidak begitu mengalahkan LED semikonduktor III-V tradisional, ia dengan mudah mengalahkan upaya sebelumnya pada LED berbasis silikon.
“Proses optimasi kami untuk membuat LED silikon yang lebih baik adalah peningkatan yang besar dari laporan sebelumnya,” kata peneliti utama Jin Xue. Ia menambahkan bahwa LED silikon juga dapat menyala dan mati lebih cepat dari yang diharapkan. Tim menggunakan LED untuk mengirim sinyal pada frekuensi hingga 250 megahertz, menunjukkan bahwa teknologi ini potensialmente dapat digunakan tidak hanya untuk aplikasi sensori, tetapi juga untuk transmisi data yang efisien. Tim berencana untuk terus mengembangkan teknologi ini. Tetapi, kata Xue, “ia sudah membuat kemajuan yang luar biasa.”
Selain manufaktur yang lebih murah, kemajuan ini juga dapat meningkatkan performa dan efisiensi LED saat elektronik menyusut ke skala yang semakin kecil. Itu karena, pada skala mikroskopik, semikonduktor III-V memiliki permukaan yang tidak ideal, dipenuhi dengan “ikatan tergantung” yang memungkinkan energi hilang sebagai panas daripada sebagai cahaya. Dalam kontras, silikon membentuk permukaan kristal yang lebih bersih. “Kami dapat mengambil keuntungan dari permukaan yang sangat bersih ini,” kata Profesor Rajeev Ram. “Itu cukup berguna untuk bersaing untuk aplikasi skala mikro ini.” Ini memungkinkan sirkuit terintegrasi silikon untuk berkomunikasi satu sama lain secara langsung dengan cahaya alih-alih kabel listrik. Ini agak mengejutkan karena silikon memiliki bandgap tidak langsung dan biasanya tidak memancarkan cahaya. Kemajuan ini mewakili langkah menuju komputer berbasis silikon yang kurang bergantung pada komunikasi elektronik. Sebagai contoh, industri semikonduktor selama bertahun-tahun bermimpi tentang arsitektur CPU optik. Laporan mikro-LED berbasis silikon menunjukkan kemajuan yang signifikan dalam upaya ini.
