CPU에 LED 직접 통합: 칩 설계 혁신

발광 다이오드(LED)는 조명 이상의 많은 애플리케이션에서 중요합니다. 이 광원은 마이크로일렉트로닉스에서도 유용합니다. 예를 들어 스마트폰은 LED 근접 센서를 사용하여 전화기를 얼굴에 대고 있는지 판단합니다(이 경우 화면이 켜집니다). LED는 얼굴을 향해 빛 펄스를 보내고, 전화기의 타이머가 그 빛이 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 이는 전화기가 얼굴에 얼마나 가까운지 측정하는 척도입니다. LED는 자동초점 카메라의 거리 측정과 제스처 인식에도 유용합니다.

LED의 한 가지 문제: 실리콘으로 만들기 어렵습니다. 즉, LED 센서는 장치의 실리콘 기반 처리 칩과 별도로 제조되어야 하며, 종종 비싼 비용이 듭니다. 하지만 MIT 전자연구소(RLE)의 새로운 연구 덕분에 언젠가는 바뀔 수 있습니다.

연구자들은 최첨단 센서 및 통신 기술을 가능하게 할 만큼 충분히 밝은 완전히 통합된 LED를 가진 실리콘 칩을 제작했습니다. 이 발전은 제조 공정 간소화뿐만 아니라 나노스케일 전자제품의 더 나은 성능으로 이어질 수 있습니다.

실리콘은 풍부하고 저렴한 반도체 물질이기 때문에 컴퓨터 칩에 널리 사용됩니다. 하지만 실리콘의 우수한 전자적 특성에도 불구하고, 광학적 특성에서는 빛을 발하지 못합니다. 실리콘은 형광 광원으로 부적합합니다. 그래서 전기 엔지니어들은 장치의 컴퓨터 칩에 LED 기술을 연결해야 할 때 실리콘을 외면하는 경우가 많습니다.

예를 들어 스마트폰 근접 센서의 LED는 III-V 반도체로 만들어집니다. 주기율표 제3족과 제5족 원소를 포함하기 때문입니다. (실리콘은 제4족에 있습니다.) 이 반도체들은 실리콘보다 광학적으로 더 효율적입니다. 주어진 에너지량으로 더 많은 빛을 생성합니다.

근접 센서는 전화기 실리콘 프로세서 크기의 일부분에 불과하지만, 전화기 전체 비용에 크게 기여합니다. 완전히 다른 제조 공정이 필요하고, 그 한 부품을 제조하는 별도 공장이 필요합니다. 그래서 연구팀의 목표는 이 모든 것을 하나의 시스템에 통합하는 것이었습니다. 그들은 밝기를 향상시키기 위해 특수하게 설계된 접합을 가진 실리콘 기반 LED를 설계했습니다. 이는 효율을 높였습니다: LED는 저전압에서 작동하지만 5미터 광섬유 케이블을 통해 신호를 전송할 만큼 충분한 빛을 생성합니다. 게다가 LED는 다른 실리콘 마이크로일렉트로닉 구성요소(트랜지스터, 광자 검출기 포함)와 함께 상업용 파운드리에서 제조되었습니다. 이 LED가 전통적인 III-V 반도체 LED를 완전히 능가하지는 않았지만, 이전 실리콘 기반 LED 시도를 쉽게 능가했습니다.

"더 나은 실리콘 LED를 만드는 우리의 최적화 과정은 과거 보고서에 비해 상당한 개선이었습니다."라고 수석 연구원 Jin Xue는 말했습니다. 그는 실리콘 LED가 예상보다 빠르게 켜지고 꺼질 수 있다고 덧붙였습니다. 팀은 LED를 사용하여 최대 250메가헤르츠 주파수로 신호를 보냈습니다. 이는 이 기술이 센싱 애플리케이션뿐만 아니라 효율적인 데이터 전송에도 잠재적으로 사용될 수 있음을 나타냅니다. 팀은 기술 개발을 계속할 계획입니다. 하지만 Xue는 "이미 큰 진전을 이뤘습니다."라고 말했습니다.

더 저렴한 제조 외에도, 전자제품이 점점 더 작은 규모로 축소됨에 따라 이 발전은 LED 성능과 효율도 개선할 수 있습니다. 미시적 규모에서 III-V 반도체는 '댕글링 본드(dangling bonds)'로 얼룩진 비이상적인 표면을 가지며, 이는 에너지가 빛이 아닌 열로 손실되게 합니다. 반면 실리콘은 더 깨끗한 결정 표면을 형성합니다. "우리는 그 매우 깨끗한 표면을 활용할 수 있습니다."라고 Rajeev Ram 교수는 말했습니다. "이것은 이러한 마이크로스케일 애플리케이션에서 경쟁력 있을 만큼 유용합니다." 이는 실리콘 집적 회로가 전기 와이어 대신 빛으로 서로 직접 통신할 수 있게 합니다. 실리콘은 간접 밴드갭을 가지고 있어 일반적으로 빛을 방출하지 않기 때문에 이는 다소 놀라운 일입니다. 이 발전은 전자 통신에 덜 의존하는 실리콘 기반 컴퓨터를 향한 한 걸음을 나타냅니다. 예를 들어 반도체 산업은 오랫동안 광학 CPU 아키텍처를 꿈꿔 왔습니다. 실리콘 기반 마이크로 LED 보고는 이러한 시도에 상당한 진전을 보여줍니다.