На протяжении десятилетий исследователи пытались создать эффективный кремниевый светодиод, который можно было бы изготавливать вместе с его микросхемой. На уровне устройства этот поиск важен для всех приложений, которых нет на наших мобильных устройствах, которые полагались бы на дешевые и легко производимые источники инфракрасного света. 

Кремниевые светодиоды специализируются на инфракрасном свете, что делает их полезными для автофокусировки камер или измерения расстояний - возможностей, которыми сейчас обладает большинство телефонов. Но практически ни в какой электронике не используются кремниевые светодиоды, вместо этого используются более дорогие материалы, которые необходимо производить отдельно.

Тем не менее, перспективы появления неуловимого светоизлучающего диода на основе кремния могут открываться. Исследователи Массачусетского технологического института под руководством аспиранта Цзинь Сюэ разработали функциональный CMOS-чип с кремниевым светодиодом, произведенный GlobalFoundries в Сингапуре. Они представили свою работу на недавнем IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) .

На сегодняшний день главная проблема заключалась в том, что кремний не очень хороший материал для светодиодов.

Светодиод состоит из области n-типа , богатой возбужденными свободными электронами, соединенной с областью p-типа , содержащей положительно заряженные «дырки» для заполнения этими электронами. Когда электроны попадают в эти дыры, они понижают уровни энергии, высвобождая эту разницу в энергии. Стандартные светодиодные материалы, такие как нитрид галлия или арсенид галлия, являются материалами с прямой запрещенной зоной , электроны которых являются мощными излучателями света.

Кремний, с другой стороны, является непрямым запрещенным материалом. Его электроны склонны превращать эту энергию в тепло, а не в свет. Это делает кремниевые светодиоды медленнее и менее эффективными, чем их аналоги. Производители кремниевых светодиодов должны найти способ обойти эту косвенную запрещенную зону.

Один из способов - сплавить кремний с германием. Фактически, в начале этого года группа в Технологическом университете Эйндховена в Нидерландах  создала лазер  на основе кремния из сплава кремния и германия, выращенного на нанопроволоке. Они сообщили, что их крошечный лазер однажды сможет дешево и эффективно отправлять данные от одного чипа к другому.

Возможно, это один из самых сложных подходов к проблеме. Другой вариант рассматривался более 50 лет - это работа кремниевых светодиодов в так называемом режиме с  обратным смещением . Здесь напряжение прикладывается в обратном направлении к направлению, в котором обычно может течь ток. Это изменение не позволяет электронам заполнять свои дырки до тех пор, пока электрическое поле не достигнет критической интенсивности. Затем электроны ускоряются с достаточным рвением, чтобы сбить с толку другие электроны, увеличивая ток в электрическую лавину. Светодиоды могут использовать эту лавину для создания яркого света, но для них требуется напряжение, в несколько раз превышающее норму для микроэлектроники.

На рубеже тысячелетий другие исследователи возились со светодиодами с прямым смещением , в которых электроны текут легко и непрерывно. Эти светодиоды могут работать при напряжении 1 вольт, что намного ближе к транзистору в типичной микросхеме CMOS, но они никогда не были достаточно яркими для потребительского использования.

Команда MIT-GlobalFoundries пошла по пути с опережением. Ключом к их продвижению является новый тип соединения между областями n-типа и p-типа. Предыдущие кремниевые светодиоды размещали два рядом, но дизайн MIT-GlobalFoundries укладывает два вертикально. Это отталкивает электроны и их дырки от поверхностей и краев. Это мешает электронам выделять энергию в виде тепла, направляя больше энергии на излучение света.

«Мы практически подавляем все конкурирующие процессы, чтобы сделать это возможным», - говорит Раджив Рам , один из исследователей Массачусетского технологического института. Рам говорит, что их конструкция в десять раз ярче, чем у предыдущих кремниевых светодиодов с прямым смещением. Это все еще недостаточно ярко, чтобы внедрить его в смартфоны, но Рам считает, что впереди еще много достижений.

Соня Бакли , исследователь из Национального института стандартов и технологий США (NIST), не входящая в исследовательскую группу MIT-GlobalFoundries, говорит, что в этих светодиодах приоритет отдается мощности, а не эффективности. «Если у вас есть какое-то приложение, которое может выдерживать низкую эффективность и высокую мощность, управляющую вашим источником света, - говорит она, - то это намного проще и, вероятно, намного дешевле сделать», чем существующие светодиоды, которые не интегрированы с их фишки.

Рам думает, что это приложение - датчик приближения. Рам говорит, что команда близка к созданию полностью кремниевой системы, которая могла бы сообщить телефону, как далеко находится его окружение. «Я думаю, что это может быть относительно краткосрочное приложение, - говорит он, - и оно, безусловно, стимулирует наше сотрудничество с GlobalFoundries».