Mikroelektronik 16.12.2020, 07:00 Uhr

Winziges Detail könnte Smartphones bald völlig verändern

Leuchtdioden können weit mehr als nur ein Wohnzimmer erhellen. Sie sind auch nützliche Bauteile in der Mikroelektronik. Wie sich Hürden überwinden lassen, haben Ingenieure am MIT herausgefunden.

Foto: panthermedia.net/aa-w

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Smartphones werden zwar kleiner und preisgünstiger, doch sind diesem Trend auch Grenzen gesetzt. Das liegt an einem kleinen, keineswegs unbedeutenden Detail: Handelsübliche Geräte können mithilfe eines LED-Näherungssensors feststellen, ob Anwender das Telefon neben ihr Gesicht halten oder ob sie sich direkt davor befinden. Dann verdunkelt sich der Bildschirm – oder eben nicht. Die LED sendet einen Lichtimpuls in Richtung Gesicht, und ein Timer misst, wie lange es dauert, bis dieses Licht zum Telefon zurückreflektiert wird. Dies ist ein Indikator dafür, wie nahe sich das Gerät am Kopf befindet.

Bleibt als Problem: LED-Sensoren müssen getrennt vom Silizium-basierten Prozessor-Chip des Smartphones hergestellt werden, oft zu einem hohen Preis. Dies könnte sich jedoch eines Tages ändern, dank neuer Forschungsergebnisse des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ingenieuren ist es nämlich gelungen, einen Silizium-Chip mit vollständig integrierten LEDs herzustellen. Sie sind hell genug, um moderne Sensor- und Kommunikationstechnologien zu ermöglichen. Der Fortschritt könnte nicht nur zu einer optimierten Fertigung führen, sondern auch zu einer besseren Leistung für Elektronik auf einer Nanoskala.

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Silizium hat nicht nur Vorteile 

Zum Hintergrund: Silizium wird häufig in Computer-Chips verwendet, da das Element reichlich vorhanden und preisgünstig ist. Als Halbleiter kann es steuern, wie sich Elektronen bewegen. Diese Fähigkeit, beim Elektronenfluss zwischen „Aus“ und „Ein“ umzuschalten, ist bekanntlich die Grundlage klassischer Computer.

Trotz der hervorragenden elektronischen Eigenschaften des Siliziums sind seine optischen Charakteristika eher unterdurchschnittlich. Deshalb verwendet man bei der Konzeption von Schaltungen weitere Materialien. Die LEDs im Näherungssensor eines Smartphones bestehen beispielsweise aus III-V-Halbleitern. Sie werden so genannt, weil sie Elemente aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems enthalten. Silizium befindet sich in der vierten Hauptgruppe. III-V-Halbleiter sind optisch effizienter als Silizium. Sie erzeugen mit einer bestimmten Energiemenge mehr Infrarot-Strahlung für messtechnische Anwendungen.

Besagter Näherungssensor hat zwar nur einen Bruchteil der Größe eines Silizium-Prozessors des Handys. Dennoch trägt er ganz erheblich zu den Gesamtkosten des Telefons bei. „Es ist ein völlig anderer Herstellungsprozess erforderlich, und man benötigt eine separate Fabrik, in der dieses eine Teil hergestellt wird“, sagt Rajeev Ram. Er leitet die Gruppe für physikalische Optik und Elektronik am MIT. „Unsere Fragestellung war: Können wir alles in einem System zusammenfassen?“ Genau das ist den Wissenschaftlern gelungen.

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Auf dem Weg zu neuen Computerdesigns  

Die Ingenieure am MIT entwickelten eine LED auf Silizium-Basis mit speziellen Übergängen im Halbleiter. Ihr Ziel war, die Helligkeit zu steigern. Ihre neue LED arbeitete mit niedriger Spannung, erzeugt aber immer noch genug Licht, um ein Signal über fünf Meter Glasfaserkabel zu übertragen. Ihre neuen LEDs ließen sich schneller ein- und ausschalten.

Außerdem produzierte eine Firma die LEDs neben anderen mikroelektronischen Komponenten wie Transistoren und Photonendetektoren, was zu deutlich niedrigeren Kosten führt. Und nicht zuletzt ließ sich die neue Technologie auf geringere Maße schrumpfen. „Dies ermöglicht integrierten Silizium-Schaltungen, direkt mit Licht anstelle von elektrischen Drähten miteinander zu kommunizieren“, erklärt Ming Wu, Elektrotechniker an der University of California in Berkeley. Die Ergebnisse seien auch als Fortschritt einen Schritt in Richtung eines Silizium-basierten Computers zu bewerten, der weniger auf elektronische Kommunikation angewiesen sei, so der Forscher.

Erst vor wenigen Wochen ist Ingenieuren am MIT ein weiterer Durchbruch gelungen: Im Experiment ersetzten sie Silizium durch Indiumgalliumarsenid (InGaAs). Transistoren aus dem Material benötigen niedrigere Spannungen, können Signale schneller verarbeiten und Rechenoperationen schneller durchführen. InGaAs ist kein neuer Werkstoff, hatte in der Praxis aber bisher Einschränkungen. Ihre Leistung ist abhängig von der Frequenz des Stroms. Das führen Forscher auf Oxideinschlüsse im InGaAs zurück: ein lösbares Problem.

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Von Michael van den Heuvel

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