Convertir la electricidad en fotones

La invenci¨®n de los LED azules galardonada con el Premio Nobel es el resultado de una serie de avances muy importantes en la f¨ªsica de materiales y dispositivos, el crecimiento de cristales, el dise?o de estructuras y la optimizaci¨®n de la ¨®ptica.

El fen¨®meno en que se basan los LED ¡ªLight Emitting Diodes o diodos emisores de luz¡ª consiste en la conversi¨®n directa de la corriente el¨¦ctrica en luz en un diodo o uni¨®n p-n, que es la frontera entre dos tipos de materiales semiconductores. El material tipo n tiene super¨¢vit de electrones, mientras que el tipo p tiene huecos o d¨¦ficit de electrones. Justo en la frontera entre ambos es donde se produce la conversi¨®n 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 energ¨¦ticas de conducci¨®n y de valencia est¨¦n alineadas, y que la energ¨ªa que las separa produzca fotones (part¨ªculas 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 hac¨ªan creer que su desarrollo pr¨¢ctico ser¨ªa 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 energ¨¦tica 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 m¨¢s atractivo, y el que ha conseguido imponerse finalmente, es el nitruro de galio (GaN), pero la dificultad de crecer cristales de suficiente tama?o libres de defectos y la dificultad de crear regiones tipo p han sido durante m¨¢s de 30 a?os una barrera que ha impedido conseguir un diodo azul eficiente.

Una vez superado el problema del crecimiento cristalino ¡ªque se solucion¨® con nuevas t¨¦cnicas m¨¢s la optimizaci¨®n de la fabricaci¨®n de multicapas de distintos materiales: zafiro, nitruro de aluminio y, finalmente, una capa de nitruro de galio¡ª los esfuerzos se centraron en conseguir un diodo de calidad. La creaci¨®n de regiones tipo p se solucion¨® con tratamientos t¨¦rmicos para activar el magnesio o zinc que se usan como dopantes y que habitualmente no funcionan al no est¨¢n activados. Todav¨ªa era necesario crear un dispositivo que generase y emitiese luz con gran eficiencia. Para ello resulta esencial que los electrones y huecos est¨¦n confinados en una regi¨®n de pocos nan¨®metros ¡ªla millon¨¦sima parte de un mil¨ªmetro¡ª, lo que se consigue creando multicapas de distintos materiales de pocos nan¨®metros de grosor, formando los denominados pozos cu¨¢nticos.

El resultado final es un dispositivo, el LED azul, que es la base de la iluminaci¨®n de alta eficiencia energ¨¦tica actual o de los l¨¢seres usados en los Blu-ray, entre otras muchas posibles aplicaciones.

Gon?al Badenes es el responsable de nanofabricaci¨®n del Instituto de Ciencias Fot¨®nicas (ICFO), en Barcelona.