Intégration directe de LED dans les CPU : Révolutionner la conception de puces

Les diodes électroluminescentes — LED — sont importantes dans bien plus d'applications que juste l'éclairage. Ces sources de lumière sont utiles en microélectronique aussi. 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 un minuteur dans le téléphone mesure combien de temps il faut à cette lumière pour revenir, une mesure de la proximité du téléphone par rapport à votre visage. Les LED sont aussi pratiques pour la mesure de distance dans les caméras à autofocus et la reconnaissance de 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 dispositif, souvent à un prix élevé. Mais cela pourrait un jour changer, grâce à de nouvelles recherches du Laboratoire de Recherche en Électronique (RLE) du MIT.

Les chercheurs ont fabriqué une puce en silicium avec des LED entièrement intégrées, assez brillantes pour permettre des technologies de capteur et de communication de pointe. Cette avancée pourrait mener non seulement à une fabrication rationalisée, mais aussi à de meilleures performances pour l'électronique à l'échelle nanométrique.

Le silicium est largement utilisé dans les puces d'ordinateur car c'est un matériau semi-conducteur abondant et bon marché. Mais malgré les excellentes propriétés électroniques du silicium, il ne brille pas quand il s'agit de propriétés optiques — le silicium fait une mauvaise source de lumière. Donc les ingénieurs électriques se détournent souvent du matériau quand ils ont besoin de connecter des technologies LED à la puce d'ordinateur d'un dispositif.

La LED dans le capteur de proximité de votre smartphone, par exemple, est faite de semi-conducteurs III-V, ainsi nommés parce qu'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 pour une quantité d'énergie donnée.

Et bien que le capteur de proximité soit une fraction de la taille du processeur en silicium du téléphone, il ajoute significativement au coût global du téléphone. Il y a un processus de fabrication entièrement différent qui est nécessaire, et c'est une usine séparée qui fabrique cette seule pièce. Donc, l'objectif de l'équipe de recherche était de tout mettre ensemble dans un seul système. Ils ont conçu une LED à base de silicium avec des jonctions spécialement conçues pour améliorer la luminosité. Cela a boosté l'efficacité : La LED fonctionne à basse tension, mais produit encore assez 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, y compris 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 antérieures de LED à base de silicium.

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

En plus d'une fabrication moins chère, l'avancée pourrait aussi améliorer la performance et l'efficacité des LED alors que l'électronique rétrécit à des échelles toujours plus petites. C'est parce qu'à une 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 contraste, le silicium forme une surface de cristal plus propre. « Nous pouvons tirer avantage de ces surfaces très propres », a dit le Professeur Rajeev Ram. « C'est assez utile pour être compétitif pour ces applications à l'échelle microscopique. » Cela permet aux circuits intégrés en silicium de communiquer entre eux directement avec de la lumière au lieu de fils électriques. C'est quelque peu surprenant car le silicium a un gap de bande indirect et n'émet pas normalement de la lumière. Cette avancée représente un pas vers des ordinateurs à base de silicium qui sont moins dépendants de la communication électronique. Par exemple, l'industrie des semi-conducteurs a longtemps rêvé d'une architecture CPU optique. Le rapport de micro-LED à base de silicium montre un progrès significatif dans ces tentatives.