El diodo azul, una tecnología que casi todos usamos todos los días,
obtiene el Premio Nobel de Física 2014. Isamu Akasaki y Hiroshi Amano
(Univ. Nagoya, Japón) y Shuji Nakamura (Univ. California, Santa Barbara,
EEUU). Seguro que tienes en el bolsillo ahora mismo un dispositivo que
usa esta tecnología. Sin lugar a dudas este Premio Nobel de Física 2014
recoge perfectamente el espíritu original de Alfred Nobel.
Anuncio oficial del premio,
nota de prensa,
información divulgativa e
información avanzada (fuente de las figuras de esta entrada).
Los diodos emisores de luz (LED) actuales emiten luz entre el
infrarrojo y el ultravioleta. Sin embargo, los primeros LED
desarrollados en los 1950 y en los 1960 sólo emitían luz entre el
infrarrojo y el verde. Los colores azules y ultravioletas parecían
imposibles de lograr. A finales de los 1980 se propuso el uso de nitruro
de galio (GaN) en dispositivos multicapa (heteroestructuras y pozos
cuánticos). La importancia de lograr LED azules era enorme, ya que
permitía el desarrollo de fuentes eficientes de luz blanca para
iluminación (combinando LED rojos, verdes y azules). Hay que recordar
que la iluminación supone entre el 20% y el 30% de nuestro consumo de
energía eléctrica.
La
emisión de luz por electroluminiscencia se basa en la existencia de una
banda prohibida entre las bandas de valencia y conducción en un
material semiconductor. Lograr un material cuya emisión de luz sea en el
azul es muy difícil porque se requiere una banda prohibida muy grande.
Se estudiaron diferentes materiales compuestos (como ZnSe y SiC), pero
al final se logró con GaN, un semiconductor de la clase III-V, con
estructura cristalina tipo wurtzita. El GaN tiene una banda prohibida de
3,4 eV, que corresponde al ultravioleta.
El gran problema del uso del GaN era fabricar este material con una
calidad cristalina adecuada y de forma eficiente. En los 1970 se
probaron muchas técnicas sin éxito. Isamu Akasaki desarrolló nuevas
técnicas de crecimiento de GaN sobre zafiro usando una capa de AlN. En
1981, en la Universidad de Nagoya, Japón, empezó a colaborar con Hiroshi
Amano y en 1986 logró la técnica que le ha permitido obtener el Premio
Nobel de Física 2014 (H. Amano et al., “Metalorganic vapor phase
epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer,”
Appl. Phys. Lett.
48: 353, 1986).
Shuji Nakamura (en una empresa privada japonesa) desarrolló un método
similar en el que reemplazó la capa de AlN por una fina capa de GaN
crecida a baja temperatura (Shuji Nakamura, “GaN Growth Using GaN Buffer
Layer,” Japanese Journal of Applied Physics
30: L1705, 1991; Shuji Nakamura et al., “High-Power GaN P-N Junction Blue-Light-Emitting Diodes,” Japanese Journal of Applied Physics
30:L1998, 1991).
Nakamura y sus colegas aprovecharon los resultados previos de Akasaki y
Amano para desarrollar una técnica de dopado del GaN con Zn (material
p) y Mg (material n) para dar lugar a uniones (diodos) pn que emiten
luz.
El camino estaba abierto y los avances fueron muy rápidos. Los
primeros diodos con esta tecnología son de 1992 y los primeros LED
azules vieron la luz, valga la redundancia, en 1995, gracias al uso de
heteroestructuras y pozos cuánticos (Isamu Akasaki et al., “Stimulated
Emission by Current Injection from an AlGaN/GaN/GaInN Quantum Well
Device,” Japanese Journal of Applied Physics Volume
34: L1517, 1995).
El objetivo se centró en lograr la máxima eficiencia. Hoy en día ya hay
hasta LED “blancos” (que combinan emisión en el rojo, verde y azul en
el mismo dispositivo).
Los LED blancos han revolucionado la iluminación gracias a que
ahorran hasta un 30% en la electricidad consumida. Hoy en día tenemos
LED de GaN que emiten en azul en teléfonos móviles, tablets, ordenadores
portátiles, monitores de ordenador, pantallas de televisión, etc.
Verlos por doquier nos hace olvidar que hubo un tiempo en el que los LED
azules parecían una utopía. Nos hace olvidar que se necesitaron décadas
de investigación fundamental y aplicada. Repito, en mi opinión, este
Premio Nobel de Física 2014 recoge perfectamente el espíritu original de
Alfred Nobel.
