El premio Nobel de Física 2014 ha recaído este año en los investigadores japoneses Isamu Akasaki (85 años), Hiroshi Amano (54 años) y Shuji Nakamura (60 años) por el descubrimiento y desarrollo de diodos emisores de luz azul (<EM>Light Emitting Diode</EM>, LEDs), que han permitido la fabricación de fuentes de luz blanca eficientes. Los investigadores Isamu Akasaki y Hiroshi Amano realizan su actividad investigadora en la Universidad de Nagoya (Japón) mientras que Shuji Nakamura lo hace actualmente en la Universidad de California (Santa Barbara, USA).
El descubrimiento de los emisores de luz tipo LED se remonta a 1962, cuando aparecieron en el mercado LEDs emitiendo en infrarrojo (GaAs) que se utilizaron, entre otras aplicaciones, para control remoto de dispositivos electrónicos. Algo más tarde, las compañías americanas Monsanto y Hewlett Packard desarrollaron los LED de color rojo, que se utilizaron en pantallas de calculadoras de bolsillo y relojes digitales (GaAsP), así como de color amarillo y verde (GaP), aunque con muy baja eficiencia. Sin embargo no se conocía aún el material idóneo para emitir luz azul, lo que permitiría generar luz blanca, bien mediante combinación de los colores fundamentales, bien utilizando los llamados fósforos (YAG) como conversores de energía. En la década de los 90 estos tres investigadores consiguieron, trabajando en paralelo, desarrollar el sistema de materiales denominado Nitruros del grupo III (GaN, AlN e InN) y solventar multitud de problemas para, finalmente, fabricar el primer LED emitiendo en el azul con un brillo realmente notable.
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| En los 90 estos tres investigadores consiguieron, trabajando en paralelo, desarrollar el sistema de materiales denominado Nitruros del grupo III (GaN, AlN e InN) y solventar multitud de problemas para, finalmente, fabricar el primer LED emitiendo en el azul con un brillo realmente notable |
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Akasaki fue uno de los pioneros en el crecimiento epitaxial del material GaN mediante la técnica de epitaxia de haces moleculares (MBE). Posteriormente, en los 80 y junto con Amano, consiguió obtener por primera vez capas de GaN de buena calidad cristalina y superficies planas mediante la técnica de epitaxia en fase vapor con metal-orgánicos (MOVPE). Un segundo y definitivo logro de ambos investigadores supuso la demostración en 1989 de conductividad tipo-p en capas de GaN dopadas con Mg. Este descubrimiento dio lugar a la fabricación del primer LED de homounión de GaN.
Nakamura es responsable de optimizar el dopaje tipo-p al principio de la década de los 90, obteniendo mayores concentraciones de huecos, así como de desarrollar la técnica del crecimiento epitaxial MOVPE para obtener hetero-estructuras de pozo cuántico de InGaN/GaN de gran calidad cristalina. Estas mejoras fueron realizadas cuando Nakamura trabajaba en la compañía japonesa Nichia Chemical Industries, una compañía dedicada fundamentalmente a la fabricación de fósforos, y supusieron la base para la comercialización en 1994 del primer diodo LED de emisión en el azul basado en InGaN. Nakamura recibió el premio Millennium Technology Prize en 2006 por sus descubrimientos.
En la actualidad, las lámparas de luz blanca que utilizan LEDs se basan en los Nitruros del grupo III. En los tipos más sencillos la emisión azul-ultravioleta de los LED se hace pasar a través de un material cerámico (fósforo YAG) que convierte la luz azul en amarilla, de modo que la suma de ambos colores da lugar a emisión de luz blanca. Diseños más complejos que incluyen la mezcla de tres y hasta cuatro colores permiten el control de la tonalidad del blanco (temperatura) y la 'calidad' del color (Color Rendering Index, CRI).
El desarrollo de los emisores de luz blanca, desde su aparición, ha sido vertiginoso, tanto en mejora de eficiencia, como de precio. En 2001 se consiguieron crecer LEDs de GaInN azules sobre substratos de silicio y en el mismo año la compañía OSRAM ponía en el mercado LEDs de alta potencia sobre este mismo substrato para iluminación general. La utilización de substratos de silicio de 6 pulgadas podría abaratar el coste de estos dispositivos hasta en un 90%.
En la actualidad se comercializa una gran variedad de lámparas de luz blanca basadas en LEDs, pero el salto a los sistemas de iluminación de grandes superficies está pendiente aún de la resolución de ciertos problemas derivados de la merma de eficiencia cuando los LEDs se someten a altas corrientes (efecto droop). Por esta razón, un gran número de investigadores en el mundo se esfuerzan hoy en día en resolver estos problemas.
Para analizar el impacto económico que estos dispositivos tendrán (o tienen ya) en nuestra sociedad basta considerar varios aspectos fundamentales. Los LEDs aprovechan prácticamente toda la energía eléctrica que consumen para generar luz, mientras que la bombilla incandescente 'desperdicia' hasta un 90% en generación de calor. Los LEDs son ya una alternativa real, no sólo a la tradicional bombilla incandescente, sino a los tubos fluorescentes y lámparas 'de bajo consumo' que, aun siendo más eficientes que la bombilla incandescente (consumen entre un 50% y un 75% menos), producen un tipo de luz blanca poco 'natural' y plantean problemas de residuos una vez agotados (ya que contienen mercurio). Por otro lado, la vida media de los LEDs se aproxima a las 70.000 horas, en comparación con las 1.000 horas de una lámpara incandescente, o las 8.000 de una lámpara de bajo consumo. Para hacerse una idea de los beneficios energéticos de los LEDs, basta darse cuenta de que con la aparición y progresiva implantación de las bombillas de bajo consumo, el ahorro energético es ya muy considerable, cerca de un 4% del consumo eléctrico nacional, que en términos de CO2 representa varias decenas de millones de toneladas al año. Con los LEDs blancos, este ahorro es aún más significativo, cercano al 10%.
El impacto económico desde el punto de vista del usuario, es múltiple. Por una parte, se gasta menos energía para obtener la misma iluminación (menor consumo) y por otra, la vida media de los LEDs hace que la inversión sea extremadamente rentable. Por otra parte, los emisores de luz azul no solo se utilizan para iluminación, baste recordar los nuevos dispositivos electrónicos con amplio impacto de mercado que ha habilitado el desarrollo de los láseres (LD) azules utilizados en consolas y grabadoras (SONY's blue-ray DVD). Aunque los láseres son dispositivos más complejos y conceptualmente diferentes (emisión estimulada) de los LEDs, su estructura es similar y los materiales utilizados siguen siendo los Nitruros-III.
La Universidad Politécnica de Madrid, a través del Grupo de Dispositivos Semiconductores (GDS) del Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología (ISOM), participa en la actualidad en varios proyectos de investigación enfocados hacia la fabricación de emisores LED utilizando los Nitruros del Grupo III. El GDS, y en particular el grupo de MBE-Nitruros que lidero trabaja en éste área desde el año 1996, siendo pioneros en el crecimiento por MBE de Nitruros sobre sustratos de silicio, así como del crecimiento ordenado de nanoestructuras de InGaN para la fabricación de nanoLEDs. En la actualidad, este grupo participa en un proyecto Europeo junto con la empresa Osram Opto Semiconductors GmbH de Regensburg, Alemania, para desarrollar matrices de nanoLEDs de luz blanca.
