Y la luz azul se hizo – Premio Nobel de Física 2014

El pasado 7 de Octubre de 2014, la Academia Sueca de las Ciencias anunció la concesión del Premio Nobel de física a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura «por la invención de diodos emisores de luz azul eficientes que han hecho posible la creación de fuentes de luz blanca brillantes y de bajo consumo energético»

Esta decisión marca un giro en el criterio de valoración de los méritos de los candidatos de los últimos tres años. Si en anteriores ediciones se premiaron grandes aportaciones a cuestiones fundamentales de física teórica, en esta ocasión el reconocimiento ha sido para la física aplicada, para el diodo emisor de luz “LED” (Light Emitting Diode) que emite luz azul. Un invento de gran practicidad que ya se comercializa y forma parte de gran número de dispositivos que usamos a diario.

Le elección del premio encaja a la perfección con la voluntad expresada por Alfred Nobel en su último testamento, donde disponía «…que su fortuna se emplease en crear una serie de premios para aquellos que llevasen a cabo «el mayor beneficio a la humanidad» en los campos de la física, la química, la fisiología o medicina, la literatura y la paz. En lo que sigue trataremos de exponer de forma simplificada qué es un led, su evolución histórica, la importancia del color azul y las ventajas más notorias que ofrecen los dispositivos que emplean ledes.

ELECTRÓNICA DE ESTADO SÓLIDO

Hasta finales de la década de 1940, la rectificación y amplificación de señales eléctricas se realizaba mediante válvulas de vacío (lámparas o tubos en lenguaje común) que, aparte de los inconvenientes de ser voluminosos, frágiles (mecánica y eléctricamente) y caras, consumían gran cantidad de energía produciendo un notable calentamiento. Estos problemas fueron especialmente evidentes durante la Segunda Guerra Mundial, lo que provocó un gran interés en la investigación de dispositivos de estado sólido basados en semiconductores. Aunque ya en 1925 el físico Julius Edgar Lilienfeld registró en Canadá la patente «Method and apparatus for controlling electric current», describiendo un componente parecido a lo que más tarde se conocería como transistor, la falta de tecnología necesaria para su producción industrial hizo que no se construyese el transistor, propiamente dicho, hasta 1947. Este amplificador de estado sólido, basado en el germanio, y capaz de proporcionar una señal de salida mayor que la de entrada, vio la luz en los laboratorios de AT&T’s Bell gracias al trabajo de John Bardeen, Walter Brattain y William Bradford Shockley, a quienes se otorgó el Nobel de física de 1956 por este invento. En los años siguientes, la física de estado sólido registró grandes avances y se alcanzó un conocimiento preciso de las propiedades de los semiconductores y de los fenómenos relacionados con los mismos. Como consecuencia, floreció una industria altamente tecnológica, en la que el ingenio y conocimientos individuales permitieron que muchas personas, partiendo de medios caseros, llegasen a ser propietarios de grandes empresas con decenas de miles de trabajadores.

EL DIODO LED

En un cristal de un elemento o compuesto químico puro, los átomos se disponen según una red regular, oscilando alrededor de una posición media. Esto provoca que los niveles energéticos posibles para sus electrones difieran de los que corresponden a un solo átomo aislado y se extiendan a bandas energéticas aparentemente continuas. Experimentalmente se observa que existen dos bandas llamadas de valencia y de conducción, que pueden estar separadas por una banda prohibida «gap«.

La banda de valencia está ocupada por los electrones de valencia que se encuentran en el nivel energético más externo y permiten los enlaces entre los átomos en los compuestos o entre átomos del mismo tipo en una molécula o un cristal. La de conducción contiene los electrones libres que han pasado a niveles energéticos vacíos y, desligados de sus átomos, constituyen la corriente eléctrica.

La conductividad eléctrica del cristal depende de la anchura del gap así como del estado de ocupación de las bandas de energía, pudiéndose distinguir entre conductores, aislantes y semiconductores.

En los materiales conductores, las bandas de valencia y conducción son contiguas o incluso llegan a solaparse mientras que en los aislantes están tan separadas que se necesitan unas diferencias de potencial muy elevadas para hacer llegar electrones a la banda de conducción y, por tanto, en las condiciones de uso normales no conducen.

En el caso de los semiconductores la amplitud de la banda prohibida es lo suficientemente reducida para que, dadas las condiciones adecuadas, algunos electrones de valencia alcancen suficiente energía para «saltar» a la banda de conducción. Esto puede conseguirse aumentando la energía del material por agitación térmica, sometiéndolo a un campo eléctrico externo o introduciendo impurezas que modifiquen la red cristalina y, por consiguiente, sus propiedades eléctricas. Este último caso se conoce como «dopado«.

Si se parte de un elemento base tetravalente, por ejemplo germanio o silicio, y se le añaden pequeñas cantidades de un elemento pentavalente, como fósforo, arsénico o antimonio, en la red cristalina se producen defectos debidos al exceso de electrones y se denomina tipo N. Puesto que la corriente está constituida mayoritariamente por electrones, éstos son los «portadores mayoritarios”. Por el contrario, si se emplea un elemento trivalente, tal como aluminio, galio o indio, los defectos de la red consisten en «huecos», entendiendo por tal la carencia de un electrón que debería estar presente. Estos semiconductores pertenecen al tipo P y los portadores mayoritarios son los huecos, que se comportan como una virtual carga positiva.

Cuando se dopa un semiconductor, las bandas de valencia y de conducción se hallan más cerca que en el material original, lo cual significa que la banda prohibida se reduce:

 

En un semiconductor tipo N los niveles de energía de la impureza se encuentran inmediatamente debajo de la banda de conducción del Ge, de manera que los electrones débilmente ligados a la impureza, pueden pasar fácilmente a esta banda. Por otro lado, en los tipo P, los niveles de energía de la impureza se sitúan justo por encima de la banda de valencia, por lo que los electrones de esta banda pueden moverse hacia arriba, promoviendo la formación de huecos en el material semiconductor.

El diodo led (del acrónimo inglés led, light-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’) está formado por la unión de un semiconductor tipo P, con otro tipo N, lo que se conoce como unión p-n.

Si en una unión P-N, como muestra la figura, hacemos circular una corriente en sentido directo (polo + del generador conectado al tipo P y polo – conectado al tipo N), se produce la recombinación entre portadores en la zona de la unión. Es decir, algunos electrones del semiconductor tipo N caen desde la banda de conducción a la de valencia con la consiguiente emisión de radiación electromagnética cuya frecuencia dependerá de la anchura de la banda prohibida (diferencia de energía entre las bandas de conducción y valencia).

El fenómeno físico que tiene lugar en el led se conoce como electroluminiscencia y fue descubierta en 1907 por el británico H. J. Round en los Laboratorios Marconi, mientras usaba un cristal de carburo de silicio como detector en un receptor de radio. Este hallazgo así como el trabajo del ruso Oleg Losev, que llegó a fabricar un rudimentario led, cayeron en el olvido durante cerca de cuarenta años, debido a que, por aquel entonces, no se disponía de los conocimientos necesarios para dotarlo de una base física. No fue hasta el 1951 que K. Lehovec y sus colaboradores del Signal Corps Engineering Laboratory en USA, explicaron la emisión de fotones que tenía lugar en el carburo de silicio como resultado de la inyección de portadores a través de una unión. No obstante, las observaciones no cuadraron con el razonamiento puesto que la energía de los fotones resultantes era inferior a la diferencia de energías correspondiente a la banda prohibida. Esto les llevó a concluir que la emisión era debida a la presencia de impurezas en el SiC, o a defectos en la estructura de la red.

En otoño de 1961, James R. Biard y Gary Pittman, trabajando en Texas Instruments, descubrieron que el arseniuro de galio (GaAs) emitía radiación infrarroja cuando se hacía circular corriente en sentido directo, y en agosto de 1962 ambos registraron la patente titulada «Semiconductor Radiant Diode». En octubre del mismo año, TI anunció el primer led comercial de arseniuro de galio (el SNX-100) que emitía en infrarrojo, a 900 nm, claramente alejado del espectro visible.

El primero en proporcionar luz visible de color rojo fue creado en 1962, por Nick Holonyak Jr., de General Electric Co, que publicó su invención en la revista «Applied Phisics Letters» el 1 de diciembre de 1962. El progreso siguió con el desarrollo del primer led amarillo, obra de M. George Craford, que había trabajado para Holonyak, y que además, en 1972, multiplicó el brillo de los led rojos y rojo-anaranjados por un factor de 10. En 1976, T. P. Pearsall inventó los primeros led de alta eficiencia y alto brillo empleando nuevos semiconductores para producir longitudes de onda especialmente adaptadas a la transmisión por fibra óptica.

Diversos ledes comerciales

El intenso trabajo de investigación al que se lanzaron las compañías en busca de ventajas comerciales conllevó el desarrollo de nuevos y mejores materiales y procesos de fabricación. El brillo y el rendimiento aumentaron, aparecieron ledes de color verde, la producción se incrementó de forma exponencial y los precios se desplomaron desde 200 USD en 1968 a menos de 5 centavos en 1970. Se estandarizaron las dimensiones y las formas, si bien el calentamiento debido a la continua demanda de incrementar la potencia, supuso la posterior aparición de nuevas y sofisticadas formas. La situación en la década de los años 80 del pasado siglo era más o menos la que se muestra a continuación.

CONSTRUYENDO LA LUZ BLANCA

En los primeros ledes rojos fabricados, la recombinación de huecos y electrones era muy poco eficiente, de cada 1000 casos solo en uno se generaba un fotón rojo. Por ello, se usaron casi exclusivamente para la señalización en aparatos eléctricos o electrónicos en sustitución de las minúsculas lamparitas de filamento cuya vida útil se reducía a unos pocos millares de horas. En 1999, las mejoras en la calidad de los materiales, la aparición de nuevos semiconductores y el progreso en la comprensión de los efectos del dopado, permitieron multiplicar el rendimiento por un factor de 55 (Hewlett-Packard). Desde el punto de vista óptico, investigadores -también de HP- desarrollaron una geometría en forma de pirámide invertida que reducía el número de reflexiones internas entre las diversas capas e incrementaba la cantidad de luz que llegaba al exterior del led.

Con estos notorios avances, la eficacia luminosa, expresada en lúmenes por vatio (lm/W) superaba a la de otras fuentes. Lo cual, unido a la aparición de otros colores (anaranjado, amarillo y verde) y al incremento de potencia que se fue consiguiendo en paralelo, permitió nuevas aplicaciones como la señalización vial. El reto pendiente era la sustitución de las fuentes tradicionales de iluminación para el alumbrado exterior e interior y, para ello, se precisaba un componente fundamental: el led azul.

En efecto, ya Newton estableció en 1666 que la luz blanca estaba compuesta por diversos colores, como podía verse haciendo que un rayo blanco atravesase un prisma. Newton identificó 7 colores fundamentales, el rojo, el naranja, el amarillo, el verde, el azul, el añil y el violeta. Y lo más importante, descubrió que podían recombinarse para obtener luz blanca.

Posteriormente, se desarrolló el modelo RGB, basado en la teoría de Young-Helmonltz acerca de la visión tricromática. Se trata de un método de síntesis aditiva de luz blanca partiendo de tres colores considerados primarios: rojo, verde y azul. RGB es el acrónimo de las palabras Red, Green, Blue con que se designan estos colores en inglés. Esta teoría se fundamenta en la fisiología del ojo humano, cuyos elementos sensibles al color son los conos que forman parte de la retina y proporcionan información al cerebro para que éste pueda apreciar un amplio conjunto de colores. Superponiendo haces luminosos de estos tres colores primarios, en determinadas proporciones, puede conseguirse casi cualquier color del espectro visible. El blanco se obtiene por superposición de los tres haces con la misma intensidad.

Pero no es la única forma de obtenerlo. La adición de dos colores primarios produce uno de los tres colores llamados secundarios: cian (complementario del rojo), magenta (complementario del verde) y amarillo (complementario del azul); y la suma de dos colores complementarios produce el blanco.

Así pues, existen diversas  alternativas para crear ledes que emitan luz blanca pero, en todas ellas, resulta indispensable disponer de un led azul.

LA INVENCIÓN DEL LED AZUL

Como se ha comentado con anterioridad, el color de la luz emitida por un led depende de la anchura del «gap» o banda prohibida. En el caso del azul, que corresponde a longitudes de onda de 460 a 470 nm, es muy difícil encontrar materiales con la banda prohibida necesaria. Tanto es así que pasaron dos décadas desde la aparición de los led verdes hasta llegar a los azules.

 Se ensayaron diversas opciones, como el carburo de silicio (SiC), el seleniuro de zinc (ZnSe) y el nitruro de galio (GaN) cuya banda prohibida es de 3,4 eV de amplitud y teóricamente le permite emitir hasta el ultravioleta. Las grandes multinacionales del sector se centraron en el seleniuro de zinc, debido a las enormes dificultades que presentaba el nitruro de galio, en especial parecía imposible lograr un dopado tipo P con procedimientos de fabricación a nivel industrial. El largo camino hacia la luz azul fue recorrido por los tres científicos ahora galardonados con el Nobel de física.

Isamu Akasaki empezó a trabajar en ledes de luz azul, basados en nitruro de galio, a finales de la década de 1960, en el Matsushita Research Institute de Tokio. Poco a poco, fue mejorando la calidad de los cristales y la estructura del diodo. Por sus prometedores resultados, optó por el procedimiento de fabricación basado en la deposición de vapor mediante procesos químicos organometálicos (MOVPE). En 1981, partiendo de este método, reanudó su investigación en la Universidad Estatal de Nagoya y un año después, Hiroshi Amano, todavía sin estar graduado, se unió a su equipo.

En 1985, el grupo consiguió el crecimiento de cristales de GaN sobre un sustrato de zafiro mediante la interposición de una capa amortiguadora de nitruro de aluminio. La excelente calidad conseguida les permitió descubrir un tipo P de GaN usando magnesio (Mg) como dopante y activando mediante irradiación de electrones. En 1989 fabricaron la primera unión P-N basada en el GaN y el control de la conductividad del GaN tipo N y de otras aleaciones relacionadas, empleando silicio (Si) como dopante. Todos estos avances permitieron optimizar el rendimiento de los LED azules.

 Shuji Nakamura trabajó en el tema de los led azules desde una empresa privada llamada Nichia Corporation. Su éxito se debió, no solo a su profundo conocimiento del crecimiento de los cristales semiconductores, sino también a su capacidad para diseñar e incluso construir los aparatos necesarios para elaborarlos. Nakamura conocía los trabajos de Akasaki y Amano, que habían sido publicados, y se inspiró en ellos para llevar a cabo su investigación.

La parte activa de su led experimental consistió en una delgada película de nitruro de galio e indio (InGaN) sobre nitruro de galio. Para conseguirlo, tuvo que modificar el aparato puesto que ninguno de los comercialmente disponibles podía proporcionar una capa de nitruro de galio e indio suficientemente pura y regular para emitir una luz azul brillante. Tras dos años de transformaciones logró obtener una configuración que lo situó por delante de los demás. Si en un sistema convencional de MOVPE, los gases y vapores fluyen sobre el sustrato moviéndose paralelamente a su superficie, en el que inventó Nakamura, uno de los gases fluye paralelamente a la superficie en tanto que el otro lo hace perpendicularmente. Esta configuración de «doble flujo» elimina las corrientes convectivas y enfría los gases, proporcionando una mayor estabilidad al proceso y, en consecuencia, mejores capas. Y ahí no acabó la cosa. En 1992, inventó un tratamiento térmico para la producción en masa del esquivo nitruro de galio tipo P.

A finales de 1997, la vida media útil de los led azules de Nakamura se había incrementado de las 300 h iniciales hasta las 10.000 requeridas para un producto comercial.

 Así pues, para el desarrollo de los deseados led azules se han precisado, no solo profundos conocimientos de física -principalmente de estado sólido- sino también de química y de ingeniería de procesos, lo que evidencia la complejidad del reto superado.

EL LED BLANCO

Existen dos modos fundamentales de producir luz blanca:

El primero se basa en el principio aditivo y consiste en que cada LED está compuesto por 3 o más ledes de colores (típicamente rojo, verde y azul) de modo que no presenta picos fuertes en su espectro de emisión. Obviamente es complejo y esto repercute en el precio, pero el control del azul y la fidelidad cromática quedan asegurados.

El segundo método es fabricar un led azul, con una fuerte emisión en esta longitud de onda y recubrirlo con una capa de un derivado de fósforo que absorbe la luz azul y la reemite a distintas longitudes de onda del espectro visible, generando luz blanca.  Evidentemente el proceso es más sencillo y barato, pero la calidad del color es menor.

En la primera generación de ledes blancos, la voluntad de conseguir una iluminación más natural (más azulada) condujo al uso de un fuerte pico de energía en el azul. Sin embargo, los LED blancos disponibles actualmente emiten mucha menos energía en la banda de 420 a 500 nm que los de los primeros años y, además, la oferta va desde «luz blanca de día» (la más azul), hasta «luz blanca cálida» (la menos azul) pasando por «luz blanca natural», con lo que cada consumidor puede elegir según su orden de preferencias y prioridades.

Por lo que se refiere a las ventajas del led blanco, podemos destacar el ahorro energético que supone su empleo así como su vida útil.

Ahorro energético

Como puede verse en la siguiente tabla, la eficacia luminosa (lumens/potencia) que alcanzan en la actualidad los LED blancos solo tiene parangón con el de algunas lámparas de descarga gaseosa, cuya luz no es blanca sino fuertemente coloreada (lámparas de vapor de sodio, amarillas) y por tanto solo adecuada en ciertos exteriores.

Ahora bien, su excelente rendimiento y bajo consumo no justifican un posible uso entusiástico de intensidades luminosas excesivas, con los consiguientes problemas de contaminación lumínica agravados por la mayor dispersión de la luz azul. A este respecto, la Dark Sky Association publicó una nota de prensa en la que expuso su inquietud. No criticaba la concesión del Nobel ni el uso de luminarias LED, solo se preguntaba «¿Tendremos la suficiente cordura para aplicar esta nueva tecnología sin excesos ni despilfarros?». La solución es evidente, el nivel de iluminación ha de ser determinado teniendo en cuenta las características de cada aplicación y no debe ser excesivo por el hecho de resultar barato.

Duración

La vida útil de las lámparas comerciales es un dato proporcionado por los fabricantes, por lo que algunos han formulado reparos en cuanto a su credibilidad. Ciertamente puede haber fabricantes deshonestos que den cifras deliberadamente abultadas para promocionar su producto, pero estas prácticas acaban por descubrirse y fracasar.

La larga vida de los LED dificulta su medida con muestras comercializadas, por parte de organismos independientes. Además hay que tener en cuenta cuando se considera que la lámpara ha finalizado su vida útil. Actualmente existen dos criterios, uno es cuando el flujo luminoso se ha reducido al 70% de su valor inicial y el otro cuando baja hasta el 50%. Por supuesto esto varía mucho los resultados y para valorar el producto debe conocerse cual de ellos se ha utilizado.

En cualquier caso se sabe que:

– Los LED rojos sobrepasan las 100.000 h en condiciones nominales de funcionamiento.

– Los LED azules tienen una vida media más reducida, pero el valor va aumentando con el continuo progreso tecnológico.

– Los LED blancos duran entre 40.000 y 100.000 horas, es decir unas 10 veces más que un tubo fluorescente y hasta 100 veces más que una bombilla de incandescencia tradicional.

Las características del LED blanco y las ventajas que conlleva su empleo, convierten al LED azul, que lo ha hecho posible, en un digno merecedor del Nobel.

MATERIAL COMPLEMENTARIO

– Platito del día de Abraham Vargas: «Nobel de Física 2014, el LED azul» en La Buhardilla 2.0

– “Nobel Física 2014: Akasaki, Amano y Nakamura por el diodo azul” por Francis Villatoro

– “Un Nobel pintado de azul” por Enrique Fernández Borja

– «Centripetadora del Programa 249: El Premio Nobel de Física 2014» de Pa ciència, la nostra