Convertir la electricidad en fotones

La invención de los LED azules galardonada con el Premio Nobel es el resultado de una serie de avances muy importantes en la física de materiales y dispositivos, el crecimiento de cristales, el diseño de estructuras y la optimización de la óptica.

El fenómeno en que se basan los LED —Light Emitting Diodes o diodos emisores de luz— consiste en la conversión directa de la corriente eléctrica en luz en un diodo o unión p-n, que es la frontera entre dos tipos de materiales semiconductores. El material tipo n tiene superávit de electrones, mientras que el tipo p tiene huecos o déficit de electrones. Justo en la frontera entre ambos es donde se produce la conversión de electricidad en luz. Para que eso sea posible de manera eficiente es necesario que el semiconductor sea perfectamente cristalino y sin defectos, que sus bandas energéticas de conducción y de valencia estén alineadas, y que la energía que las separa produzca fotones (partículas de luz) del color deseado.

A pesar de que los primeros LED rojos y verdes empezaron a estar disponibles en los sesenta, los intentos de conseguir uno azul se toparon con multitud de problemas que hacían creer que su desarrollo práctico sería imposible. El primer paso para conseguirlo era identificar un material que emitiera en color azul, lo que significa que tenga una determinada banda prohibida, una zona energética en la que no puede haber ni electrones ni huecos y que define el color de la luz emitida. Entre los distintos candidatos posibles, el más atractivo, y el que ha conseguido imponerse finalmente, es el nitruro de galio (GaN), pero la dificultad de crecer cristales de suficiente tamaño libres de defectos y la dificultad de crear regiones tipo p han sido durante más de 30 años una barrera que ha impedido conseguir un diodo azul eficiente.

Una vez superado el problema del crecimiento cristalino —que se solucionó con nuevas técnicas más la optimización de la fabricación de multicapas de distintos materiales: zafiro, nitruro de aluminio y, finalmente, una capa de nitruro de galio— los esfuerzos se centraron en conseguir un diodo de calidad. La creación de regiones tipo p se solucionó con tratamientos térmicos para activar el magnesio o zinc que se usan como dopantes y que habitualmente no funcionan al no están activados. Todavía era necesario crear un dispositivo que generase y emitiese luz con gran eficiencia. Para ello resulta esencial que los electrones y huecos estén confinados en una región de pocos nanómetros —la millonésima parte de un milímetro—, lo que se consigue creando multicapas de distintos materiales de pocos nanómetros de grosor, formando los denominados pozos cuánticos.

El resultado final es un dispositivo, el LED azul, que es la base de la iluminación de alta eficiencia energética actual o de los láseres usados en los Blu-ray, entre otras muchas posibles aplicaciones.

Gonçal Badenes es el responsable de nanofabricación del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona.