Imagen: 

El premio Nobel de Física 2014 ha recaído este año en los investigadores japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura  por el descubrimiento y desarrollo de diodos emisores de luz azul  (LEDs) y la posterior fabricación de fuentes de luz blanca eficientes.

El descubrimiento de los primeros emisores de luz tipo LEDs se remonta a la década de los 60 del pasado siglo, cuando aparecieron LEDs emitiendo en el rojo (primeras pantallas de calculadoras de bolsillo y relojes digitales con GaAsP) o verde (GaP), aunque con muy baja eficiencia en este último color. 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 o utilizando conversores con fósforos.  En la década de los 90 estos tres investigadores consiguieron, trabajando en paralelo, desarrollar el sistema de materiales de los Nitruros del grupo III (GaN, AlN e InN) y fabricar LEDs emitiendo en el azul. 

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).

Akasaki fue uno de los pioneros en el crecimiento epitaxial de GaN mediante la técnica de epitaxia de haces moleculares (MBE).  Posteriormente, en los 80 y junto a Amano, consiguieron obtener por primera vez capas de GaN de buena calidad cristalina y superficies planas. 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 por metal orgánicos (MOCVD) para obtener capas de GaN e InGaN con mejor calidad cristalina. Estas mejoras fueron realizadas cuando Nakamura trabajaba en la compañía japonesa Nichia Chemical Industries y supusieron la base para la comercialización en 1994 del primer diodo LED de emisión en el azul basado en InGaN. 

Actualmente, las lámparas de luz blanca que utilizan LEDs se basan en los Nitruros del grupo III. En los tipos más sencillos la emisión en el azul-ultravioleta de los LED se hace pasar a través de un material (fósforo) 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.

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, este ahorro es aún más significativo, cercano al 10%.

El Departamento de Ingeniería Electrónica, a través del Grupo de Electrónica de alta velocidad (HISEL) y Grupo de 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 HISEL-GDS, y en particular el grupo de MBE-Nitruros liderado por los profesores Enrique Calleja y Miguel Ángel Sánchez, trabaja en este 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 GaN para la fabricación de nanoLEDs. En la actualidad, este grupo participa en un proyecto Europeo junto con la empresa Osram Optoelectronics de Regensburg, Alemania, para desarrollar nanoLEDs de luz blanca.

En la foto de la portada varios miembros del HISEL-GDS-ISOM junto al Prof. Shuji Nakamura durante el 3rd European GaN Workshop celebrado en Varsovia (Polonia) en Junio 1998.