Cette LED peut être intégrée directement dans les puces informatiques

Les diodes électroluminescentes - LED - sont importantes dans de nombreuses autres applications que le simple éclairage. Ces sources de lumière sont également utiles en microélectronique. Les smartphones, par exemple, peuvent utiliser un capteur de proximité LED pour déterminer si vous tenez le téléphone à côté de votre visage (auquel cas l'écran s'allume). La LED envoie une impulsion de lumière vers votre visage, et une minuterie dans le téléphone mesure le temps qu'il faut à cette lumière pour se refléter, une mesure de la distance entre le téléphone et votre visage. Les LED sont également pratiques pour la mesure de distance dans les caméras à mise au point automatique et la reconnaissance des gestes.

Un problème avec les LED :il est difficile de les fabriquer à partir de silicium. Cela signifie que les capteurs LED doivent être fabriqués séparément de la puce de traitement à base de silicium de leur appareil, souvent à un prix élevé. Mais cela pourrait un jour changer, grâce à de nouvelles recherches du Research Laboratory of Electronics (RLE) du MIT.

Les chercheurs ont fabriqué une puce en silicium avec des LED entièrement intégrées, suffisamment lumineuses pour activer les technologies de pointe en matière de capteurs et de communication. Cette avancée pourrait conduire non seulement à une fabrication rationalisée, mais également à de meilleures performances pour l'électronique à l'échelle nanométrique.

Le silicium est largement utilisé dans les puces informatiques car il s'agit d'un matériau semi-conducteur abondant et bon marché. Mais malgré les excellentes propriétés électroniques du silicium, il ne brille pas vraiment en ce qui concerne les propriétés optiques - le silicium constitue une source de lumière médiocre. Les ingénieurs électriciens se détournent donc souvent du matériau lorsqu'ils doivent connecter les technologies LED à la puce informatique d'un appareil.

La LED du capteur de proximité de votre smartphone, par exemple, est composée de semi-conducteurs III-V, ainsi appelés car ils contiennent des éléments des troisième et cinquième colonnes du tableau périodique. (Le silicium est dans la quatrième colonne.) Ces semi-conducteurs sont plus efficaces optiquement que le silicium :ils produisent plus de lumière à partir d'une quantité d'énergie donnée.

Et bien que le capteur de proximité ne représente qu'une fraction de la taille du processeur en silicium du téléphone, il augmente considérablement le coût global du téléphone. Il y a un processus de fabrication entièrement différent qui est nécessaire, et c'est une usine distincte qui fabrique cette pièce. Ainsi, l'objectif de l'équipe de recherche était de rassembler tout cela dans un seul système. Ils ont conçu une LED à base de silicium avec des jonctions spécialement conçues pour améliorer la luminosité. Cela a amélioré l'efficacité :la LED fonctionne à basse tension, mais elle produit toujours suffisamment de lumière pour transmettre un signal à travers 5 mètres de câble à fibre optique. De plus, les LED ont été fabriquées dans une fonderie commerciale aux côtés d'autres composants microélectroniques en silicium, notamment des transistors et des détecteurs de photons. Bien que cette LED n'ait pas tout à fait surpassé une LED à semi-conducteur III-V traditionnelle, elle a facilement battu les tentatives précédentes de LED à base de silicium.

"Notre processus d'optimisation de la fabrication d'une meilleure LED en silicium a été une nette amélioration par rapport aux rapports précédents", a déclaré le chercheur principal Jin Xue. Il a ajouté que la LED en silicium pouvait également s'allumer et s'éteindre plus rapidement que prévu. L'équipe a utilisé la LED pour envoyer des signaux à des fréquences allant jusqu'à 250 mégahertz, indiquant que la technologie pourrait potentiellement être utilisée non seulement pour des applications de détection, mais également pour une transmission de données efficace. L'équipe prévoit de continuer à développer la technologie. Mais, dit Xue, "il a déjà fait de grands progrès".

En plus d'une fabrication moins chère, cette avancée pourrait également améliorer les performances et l'efficacité des LED à mesure que l'électronique se réduit à des échelles de plus en plus petites. En effet, à l'échelle microscopique, les semi-conducteurs III-V ont des surfaces non idéales, criblées de "liaisons pendantes" qui permettent à l'énergie d'être perdue sous forme de chaleur plutôt que de lumière. En revanche, le silicium forme une surface cristalline plus propre. "Nous pouvons profiter de ces surfaces très propres", a déclaré le professeur Rajeev Ram. "Il est suffisamment utile pour être compétitif pour ces applications à micro-échelle." Il permet aux circuits intégrés au silicium de communiquer entre eux directement avec de la lumière au lieu de fils électriques. Ceci est quelque peu surprenant car le silicium a une bande interdite indirecte et n'émet normalement pas de lumière. Cette avancée représente une étape vers des ordinateurs à base de silicium qui dépendent moins de la communication électronique. Par exemple, l'industrie des semi-conducteurs rêve depuis longtemps d'une architecture CPU optique. Le rapport sur les micro-LED à base de silicium montre des progrès significatifs dans ces tentatives.