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NUEVOS SEMICONDUCTORES,NUEVAS DIMENSIONES, NUEVAS LUCES

ILUMINACIÓN POR “CHIPS” EN EL SIGLO XXI

Editado por la Real Academia de Ingeniería

© 2009, Real Academia de Ingeniería

© 2009 del texto, Elías Muñoz Merino

ISBN: 978-84-95662-26-2

Depósito legal: M-1447-2009

Impreso en España

LECCIÓN INAUGURALDEL AÑO ACADÉMICO 2009

Excmos. Sras y Sres.Señoras y SeñoresQueridos amigos

PPrreesseennttaacciióónn

En primer lugar, quiero agradecer al Presidente y a la Junta de Gobiernode la Real Academia de Ingeniería la confianza que han depositado en mí,al proponerme para impartir esta lección de apertura del Curso Académicodel año 2009. Espero no defraudar esta confianza y además gustosamentequiero contribuir a la vida activa de la Academia, con la cual me siento endeuda, con ella y con mis compañeros de la misma, por la dedicación y en-trega que hacen para el buen funcionamiento de esta institución.

A la hora de elegir un tema para esta lección inaugural he seleccionadouno que creo combina elementos de ingeniería con retos científicos, yque por otra parte es fruto de una investigación que ha seguido una tra-yectoria algo heterodoxa, siendo al mismo tiempo un buen ejemplo deque no hay caminos únicos, y que confirma que el valor fundamental, laclave, es el investigador.

El tema elegido se enmarca en el área de la Optoelectrónica en el Azul yel Ultravioleta y plantea el uso potencial de los diodos emisores de luz parala iluminación general, es decir para “tener nuevas luces, nuevas bombillas”de estado sólido, chips luminosos de semiconductores que alumbren nues-tros hogares, oficinas y calles. Llevo varios años trabajando en optoelec-trónica en el azul y UV, en aspectos algo distintos a este de la iluminacióngeneral, y creo que hay una serie de “razones” para esta elección, que vandesde la preocupación creciente de la sociedad por los temas del con-sumo energético, por la energía, tema al cual la Real Academia de Inge-niería ha prestado atención y actividades, porque contiene elementos denanoingeniería, “la dimensión de este siglo XXI” y actividad científica fron-tera actual, y por el reconocimiento que mediante el Premio Príncipe deAsturias 2008 se ha hecho al ingeniero Prof. Shuji Nakamura, el mayorartífice de estos emisores de luz en el azul y ultravioleta.

La fotografía de la figura 1 muestra una pantalla de información y vídeo,ejemplo hoy ya bien conocido, de un panel bien visible incluso a pleno sol,con gran cantidad, típicamente millones, de diodos emisores de luz, muybrillantes, de todos los colores, incluido el blanco. Tomado en sentido am-plio, estos chips son pastillas de semiconductores que emiten luz, y sonlos que se plantean ahora para sustituir a bombillas incandescentes o fluo-rescentes como elementos para iluminación general. Estas nuevas luces,son el objeto principal de la lección.

8 ELIAS MUÑOZ MERINO

Figura 1. Pantalla de información y vídeo situada en la Expo Zaragoza 2008 y compuesta de millones de LED o chipsluminosos emitiendo en los colores primarios y el blanco. Con esos mismos chips se plantea la sustitución de las bombillasusuales para la iluminación interior y exterior.

IInnttrroodduucccciióónn

Los materiales semiconductores fueron inicialmente investigados en re-lación con el transporte y control de cargas eléctricas, por los efectosque se producen en sus propiedades eléctricas al introducir muy peque-ñas cantidades de átomos dopantes (formación controlada de regionestipo n o tipo p), por el comportamiento que se obtiene cuando puntasy láminas metálicas se ponen en contacto con ellos, etc. Se buscaba unafuncionalidad electrónica. Los dispositivos semiconductores reemplazaronfinalmente a las válvulas electrónicas de vacío, en las que el control del mo-vimiento de los electrones se efectuaba en el vacío en vez de hacerse enun material sólido. Los conceptos de unión metal-semiconductor, uniónentre regiones p y n (unión p-n, una región rica en electrones se una aotra rica en huecos o cargas positivas), y la invención de los transistoresde unión y de efecto campo, fueron hitos que, seguidos por el primer cir-cuito integrado de Si en 1958, permitieron el desarrollo de la microelec-trónica. El primer microprocesador (Intel, 1974) marca el desarrollo deuna nueva era en la informática y las comunicaciones, como nos ilustró elacadémico Mateo Valero en su lección de inauguración del año acadé-mico el 30 enero de 2003.

Esta funcionalidad electrónica de los dispositivos semiconductores es la do-minante hoy día. Sin embargo, hay otra funcionalidad de los dispositivossemiconductores que es la optoelectrónica, cuya importancia ha ido cre-ciendo en los últimos años, y que se refiere a la interacción de los disposi-tivos semiconductores con la luz. En el caso de una unión p-n que se ilumina,esta funcionalidad se puede entender como un transductor o conversorde potencia luminosa en potencia eléctrica debido al efecto fotovoltaico,y viceversa, al circular una corriente por dicha unión se puede generarluz (fenómeno de electroluminiscencia). La interacción entre radiación ymateria ya fue utilizada en 1883 para realizar lo que quizás fue la primeracélula solar, formada por un semiconductor (Se) y un metal (Au). En la ac-tualidad, las células solares fotovoltaicas son un elemento clave en la ge-neración de energía eléctrica renovable y los fotodetectores sonelementos básicos tanto en comunicaciones ópticas como en todos losprocesos de obtención de imágenes digitales.

En esta lección nos vamos a referir a esta segunda funcionalidad de lossemiconductores, la optoelectrónica, y en concreto, a la generación de

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luz en el azul y el ultravioleta mediante uniones p-n basadas en semicon-ductores de la familia (Al,Ga,In)N. Estos materiales del grupo III con N, de-nominados simplemente nitruros, se han podido “domesticar” en la últimadécada, permiten una gran cantidad de aplicaciones y plantean nuevosproblemas de ingeniería de materiales y dispositivos electrónicos. Usandoestos semiconductores ya hay realizaciones comerciales tanto de dispo-sitivos electrónicos (transistores de potencia para microondas), como op-toelectrónicos (diodos emisores de luz, diodos láser, fotodetectores...). Lanovedad aportada, como veremos, ha sido la posibilidad de tener estosemisores en el rango del azul y el ultravioleta, algo que no era viable hastafinales del siglo pasado. Entre las aplicaciones emergentes destaca por sutrascendencia económica, la iluminación de estado sólido, es decir las “lám-paras de semiconductores”, y que son un camino potencial para el aho-rro energético en iluminación. Esta optoelectrónica en el azul y el UVbasada en nitruros es un excelente ejemplo de investigación, de cienciae ingeniería, fruto de la tenacidad e intuición de unos pocos pioneros afinales del siglo pasado, y cuyas horas de laboratorio han abierto un nuevohorizonte en las áreas de la informática, las comunicaciones, la ilumina-ción, la biofotónica, etc., con consecuencias que han superado las expec-tativas iniciales de estos investigadores pioneros.

La observación de una emisión luminosa al aplicar un voltaje a un mate-rial fue ya hecha por Round en 1907 al trabajar con carburo de silicio(SiC). Dependiendo de la tensión aplicada y de la muestra, se producía unaluminiscencia amarilla o azulada. Esta “curiosidad científica” se produjounos 30 años después de la bombilla eléctrica de Edison que usaba un fi-lamento incandescente.

Podemos recordar que el desarrollo de la Física en la primera mitad delsiglo XX, y en concreto de la Física del Estado Sólido, llevó a la búsquedade nuevas formas de amplificadores y emisores de radiación (máser y lá-ser), al desarrollo de semiconductores compuestos (fundamentalmentela aleación GaAsP), y a la invención de una variedad de dispositivos se-miconductores electrónicos y optoelectrónicos. En 1962 se demuestraque una unión p-n de GaAs puede emitir a bajas temperaturas radiaciónestimulada (láser) en el infrarrojo, y que una unión p-n de GaAsP emiteluz roja a temperatura ambiente. Se produce así electroluminiscencia porinyección de portadores en una unión p-n, se ha creado el diodo emisorde luz (light emitting diode, LED, abreviatura que vamos a usar en esta lec-


ción). La amplificación de la emisión espontánea puede conducir a emi-sión estimulada en una unión p-n (diodo láser). El LED rojo se convierteen un dispositivo popular. Poco después, usando distintas familias de se-miconductores, se consiguen LED emitiendo en el rojo, ámbar y verde(en este color con poca eficiencia). Se utilizan en visualizadores de datos,señales de alarma, semáforos, paneles de información (véase la figura 2),etc. Posteriormente, surge el disco compacto (CD) como memoria óp-tica, en donde un diodo láser de IR permite la lectura y escritura de in-formación digital binaria. Los diodos láser y el desarrollo de las fibrasópticas condujeron a su vez a las comunicaciones ópticas.

El auge de la microelectrónica y el interés por el estudio de las propie-dades electrónicas y optoelectrónicas de los semiconductores llevan a undesarrollo tecnológico muy importante y a elaborar un soporte teóricoprogresivo. En la década de los setenta se desarrollan las técnicas de cre-cimiento de láminas monocristalinas de semiconductores sobre un sus-trato monocristalino (que se conoce como crecimiento epitaxial), con elcontrol nanométrico de espesores y con muy baja concentración de de-fectos y contaminantes. Concretamente, nacen la epitaxia por haces mo-leculares, molecular beam epitaxy MBE y la epitaxia en fase vapor mediantecompuestos organometálicos, metal organic vapor phase epitaxy/metal or-ganic chemical vapor deposition MOVPE/MOCVD. La fabricación de mues-tras epitaxiales permite el rápido desarrollo de la Física Teórica yExperimental sobre nuevas estructuras de semiconductores, que conduceposteriormente al desarrollo de los dispositivos cuánticos. Primero se pro-pone la idea de fabricar heterouniones, donde dos semiconductores debanda prohibida y distintos tipos de conductividad se crecen uno encimade otro, posibilitando una inyección muy selectiva de huecos o electro-


Figura 2. Algunos ejemplos deseñalización usando LED.

nes de una región a otra de esa heterounión. La yuxtaposición de dosheterouniones permite obtener una zona “encajonada” de un semicon-ductor (la de menor ancho de banda prohibida), confinada por las dosbarreras de potencial que forman las heterouniones. El confinamiento deelectrones, huecos y fotones conduce a ventajas muy importantes, y anuevos conceptos en las propiedades de los dispositivos optoelectróni-cos cuando “se obliga”, por ejemplo, a que esas partículas interactúen enuna “región” de dimensiones más reducidas que la longitud de onda deDe Broglie (la cual es de unas cuantas decenas de nm en los semicon-ductores usuales). Los dispositivos semiconductores resultantes (pozos,hilos y puntos cuánticos) son dispositivos en los que una, dos o sus tresdimensiones son de unos pocos nanómetros. Tenemos los primeros pa-sos en nanotecnología y nanociencia, donde los semiconductores fueronpioneros junto a la Biología.

A pesar de todo este bagaje tecnológico y científico, y a pesar de los es-fuerzos que luego se indicarán, sólo al final de los noventa se dispuso deLED emitiendo en el azul. No se sabía fabricar uniones p-n para la opto-electrónica en el azul y el ultravioleta. Hay, pues, un largo periodo de ca-rencia, de unos 25 años, antes de que se pueda pensar en producir luzazul, UV o blanca mediante LED, es decir mediante semiconductores.

Pero desde el final de los noventa tenemos LED azules y verdes de altaluminosidad, usados en semáforos, en grandes pantallas de información yvídeo en las ciudades (figura 1), paneles compuestos por matrices de LEDde todos los colores, y ha surgido su uso para la iluminación de fachadasy monumentos (figura 3). Como un ejemplo, para darnos una idea cuan-titativa, en una pantalla de vídeo de gran tamaño cada píxel o “punto” secompone de varios LED rojos, verdes, azules y, a veces, algún blanco, hastaun área por ejemplo de 30 x 30 mm por píxel; puede tener 2 millones depíxels y usar 16 millones de LED en total (figura 3, pantalla del Nasdaq).Sabemos también del uso reciente de diodos láser en el azul para los dis-cos ópticos de memoria (DVD-rayo azul). ¿Por qué esos 25 años “sin elazul”? En esta lección voy a tratar de dar una idea de las dificultades quese han vencido, de quiénes fueron las personas que “domesticaron el azul”,qué camino siguieron para ello y en qué aspectos científicos se sustentanestos logros. La optoelectrónica basada en los nitruros ha sido un es-fuerzo de ingeniería de materiales y de dispositivos optoelectrónicos, queha utilizado todo el bagaje tecnológico y científico resumido antes, y donde


la mayoría de las respuestas y porqués han sido obtenidos después de lasrealizaciones experimentales. El resultado actual comprende aplicacionesno concebidas a priori, y una de ellas es la iluminación de estado sólido,una nueva ayuda de los materiales semiconductores en el tema de laenergía. Sobre esta posibilidad haré un mayor énfasis, por plantear unaconjunción de problemas técnicos y científicos, retos de investigación, in-novación y de ingeniería de productos.

SSeemmiiccoonndduuccttoorreess ppaarraa ooppttooeelleeccttrróónniiccaa eenn eell aazzuull

En forma resumida, los requisitos básicos de un material semiconductorpara ser candidato a servir como material para fabricar un LED azul son:su energía de banda prohibida debe estar en la región del azul o del UVcercano (banda prohibida grande, al menos del orden de 2,7 eV); debenpoder fabricarse uniones p-n para obtener electroluminiscencia por in-yección de portadores; y la estructura de las bandas de energía debe serdel tipo directo. A estos requisitos se pueden añadir otros de tipo tec-nológico, pues debe ser posible obtener láminas, capas epitaxiales de esesemiconductor con alta calidad cristalina y baja concentración de defec-tos y contaminantes. Como se indicó anteriormente, si pensamos en LEDde alta eficiencia y en diodos láser, es necesario disponer de un semi-conductor que forme aleaciones que posibiliten ajustar la magnitud delas bandas prohibidas “a voluntad”, que permita formar heterouniones, yes necesario que tecnológicamente se puedan obtener capas epitaxialesde esos semiconductores con un control nanométrico de su espesor. Alfinal, para obtener una alta eficiencia debemos poder producir dispositi-vos cuánticos, ya indicados anteriormente.


Figura 3. Ejemplosde iluminación defachadas de edificiosmediante LEDazules y de macro-pantallas deinformación y vídeo(con 16M de LED,instalada en laciudad de NY).

Además, bajo un punto de vista práctico, si nuestros emisores en el azuldeben ser útiles realmente en aplicaciones comerciales, deben durar enfuncionamiento un tiempo largo. Sus mecanismos de degradación debenser controlables, lentos, y permitir vidas medias de unas miles de horas.Veremos cómo todos estos requisitos han sido cumplidos por los “nue-vos semiconductores”, estos compuestos basados en aleaciones de Al, Iny Ga con N, los nitruros: (Al,Ga,In)N.

La figura 4 puede parecer densa; trata de reflejar el mapa de opcionespotenciales para fabricar LED en el azul. Son materiales semiconductorescompuestos, conocidos en mayor o menor grado desde la década de lossesenta en que hubo un desarrollo muy rápido de los semiconductorescompuestos. Las opciones se pueden agrupar en tres bloques. Por un lado,con mayor constante de red cristalina, está el bloque de los calcogénidosII-VI, con el ZnSe como material central; por otro lado tenemos los óxi-dos II-VI, representados por el ZnO en la figura 4; y por último el bloquede los nitruros, con el GaN como centro y que tienen menores cons-tantes de red. La opción basada en ZnSe parece tener todas las ventajas.Hay sustratos disponibles con buen ajuste de red con el ZnSe y de grancalidad (el GaAs, por ejemplo), se consiguen capas con dislocaciones enel orden de 103 cm-2, hay la posibilidad de aleaciones ternarias con susbinarios vecinos, y se pueden conseguir capas tipo p y n, y por tanto unio-nes p-n. Todo esto explica que durante varias décadas estos semicon-ductores II-VI hayan recibido una atención mayoritaria de losinvestigadores y de la industria. Pero la vida media de los LED azules y


Figura 4. Valores dela energía de labanda prohibida yconstante de redcristalina para losmaterialessemiconductores másusuales. Para el InN,la banda prohibidadebe de actualizarse a0,7eV. Se hanindicado los coloresde emisión porelectroluminiscencia.

Band

Gap [eV]

Lattice Constant [Aº]

WBS

verdes basados en estos semiconductores II-VI es muy corta: como mu-cho algunos cientos de horas. A pesar de los esfuerzos tan significativosque se han hecho, incluidos los efectuados por las grandes compañías ja-ponesas, la vida media de los dispositivos sigue siendo muy corta y nohay dispositivos comerciales. Durante el funcionamiento de estos LED secrean concentraciones crecientes de puntos y líneas negras, centros de re-combinación no radiante, producidos por la difusión de átomos y por lageneración y propagación de nuevos defectos y dislocaciones.

La opción del GaN aparece como la que tiene un cúmulo inicial de dificulta-des. No hay sustratos de GaN; el SiC, aunque próximo en constante de redal GaN, era muy costoso y no muy disponible (en los setenta) y no es el másadecuado en las aplicaciones ópticas; el zafiro es adecuado como sustrato óp-tico y con un coste razonable, pero tiene un gran desajuste de red con el GaN,y tenderá a producir un material epitaxial de muy pobre cristalinidad. Además,ni en los setenta ni ochenta se consiguen capas tipo p, no hay uniones p-n portanto. Sin embargo, ya en 1972, Maruska había demostrado una emisión azulmuy intensa en GaN, lo cual era un indicio muy prometedor. Por último, nohay experiencia en el crecimiento epitaxial a nivel nanométrico del GaN, ni ex-periencia en el crecimiento de los otros compuestos de esa familia de mate-riales (InGaN, AlGaN). La opción potencial del ZnO, el tercer candidato paraesta aplicación, es muy reciente. Aunque el ZnO es un semiconductor usadocomercialmente en varistores desde hace muchos años, sólo se ha conside-rado en optoelectrónica a partir de los noventa, ante el entusiasmo que des-pertaron los nitruros. Hoy día el gran incoveniente es que aún no se sabeproducir ZnO tipo p, ni, por tanto, como fabricar uniones p-n.

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Como hemos indicado anteriormente, la comparación “entre las dos op-ciones iniciales” es tan desfavorable para el GaN que, como comenta Na-kamura, en 1989 había 104 investigadores trabajando en ZnSe y sólo 10trabajando en GaN. Las grandes compañías japonesas seguían apostandoen esas fechas por la opción II-VI, esperando resolver el tema de la vidamedia tan corta de los LED fabricados con esos materiales.

El mérito por haber desarrollado las ideas clave y obtener finalmente elLED y diodo láser azul basados en nitruros lo tienen dos investigadores


japoneses: el Prof. Isamu Akasaki, Universidad de Nagoya, por ciertas ideasbásicas, y el Prof. Shuji Nakamura, hoy día en la Universidad de CaliforniaSanta Barbara, aunque toda su investigación en nitruros y la creación delLED azul los hizo en la compañía japonesa Nichia Chemical Industries. Sepuede afirmar, por tanto, que el LED azul basado en GaN es, sin duda,una invención japonesa.

Akasaki se graduó en 1952 y empezó a trabajar en tecnología de semi-conductores en varios centros industriales y universitarios. Ya cargado degran experiencia, se dedica al estudio del GaN desde 1973. Sus contri-buciones al entendimiento del GaN (con su equipo de colaboradores)se centran en haber sido el primero en desarrollar la tecnología epitaxialMOVPE para crecimiento del GaN; el haber desarrollado la técnica dedepositar a baja temperatura sobre el zafiro capas adaptadoras extrafinasde GaN y AlN, láminas colchón para minimizar la creación de dislocacio-nes verticales en el GaN epitaxial; así como haber demostrado el dopajetipo n con Si y haber sido el primero en obtener capas tipo p de GaNde forma accidental, al activar los aceptores (Mg) de dicha capa con elec-trones de un microscopio electrónico de barrido. Así produjo la primerahomounión p-n de GaN.

Pero la persona que se considera el padre del LED azul de alta eficienciaes Shuji Nakamura. Se gradúa como ingeniero eléctrico en 1979 y empiezaa trabajar en epitaxia de semiconductores compuestos en Nichia, una pe-queña compañía química dedicada a la fabricación de fósforos. Allí tieneluz verde para hacer lo que “desee”, en solitario, y tiene un presupuestorazonable. En 1989, después de dedicarse durante 10 años a otros semi-conductores, pone sus ojos en el GaN, y en 1993 demuestra el primerLED azul brillante, en 1995 el primer diodo láser violeta en onda conti-nua usando pozos cuánticos múltiples de GaN/InGaN, y en 1996 el pri-mer LED de luz blanca. El camino recorrido, los hitos intermedios que logró,comprenden por ejemplo, el desarrollo de un nuevo tipo de reactor decrecimiento epitaxial MOVPE, el descubrimiento y solución de que la pa-sivación de los aceptores por el H era lo que impedía el dopaje tipo p delas capas de GaN, y ser el primero en crecer capas monocristalinas y po-zos cuánticos de InGaN.

Al cabo de pocos años, el impacto del LED y diodo láser azules de GaNfue muy importante. Bajo el punto de vista de los materiales, la alterna-


tiva basada en semiconductores II-VI fue prácticamente abandonada porlas grandes compañías. A nivel del reconocimiento personal a Nakamura,en 2006 recibe el Premio Findlands Millenium Technology (1M€), y, entreotros honores, en 2008 recibe el Premio Príncipe de Asturias de Investi-gación Científica y Técnica, compartido, por su “contribución al área de lananotecnología”. Con el Premio Millenium Finlandia la Unión Europeaquiere premiar la innovación tecnológica.

La trayectoria de Nakamura es algo “heterodoxa” en la situación actualde la I+D, donde por ejemplo en la UE lleva a la saturación de propuestas,consorcios a formar, informes múltiples, justificación de fines sociales, etc.Como él mismo ha escrito, con su título de Master, Nakamura es inicial-mente un investigador en solitario; cuando empezó su trabajo en GaN loque quería es publicar sobre GaN; no parece que gastó tiempo relle-nando papeles, y según indica el mismo, no tenía como objetivo el LEDazul cuando empezó su investigación.

El formidable impacto económico de su innovación es evidente. Pero pa-rece que no se siente recompensado en su entorno, y en 1999 se mudaa la Universidad de California Santa Barbara (UCSB), en donde, por ejem-plo, Herbert Kroemer recibe el Premio Nobel de Física en el año 2000por su contribución al desarrollo de las heterouniones de semiconduc-tores. Nakamura plantea pleitos a Nichia por sus derechos de patentes, lle-gándose a acuerdos finalmente. Creo que se puede decir que Japónreacciona finalmente ante este caso, y se le conceden proyectos guber-namentales de investigación para su realización en UCSB.


11995544 Born in Seto-cho. Nishiuwa-gun, Ehime Prefecture.11997733--7777 Majored in electronics at the University of Tokushima,

Department of Engineering11997777--7799 Master’s Course at the University of Tokushima Graduate Schcool

of Technology11997799--8888 Nichia Chemical Industries Co., Ltd.; research and development

on infrared LED and crystal materials for LED11998888--8899 Visiting Research Fellow at the University of Florida; research on

crystal.; development of GaAs on Si11998899--9999 Research and development on the blue, green LED and purple

semiconductor laser11999944 Obtained PhD from the University of Tokushima22000000-- Professor. Department of Materials. University of California,

Santa Barbara

Figura 5. Breve trayectoria profesional del Profesor Nakamura.


LLeedd aazzuulleess ddee GGaaNN

Tras describir aspectos históricos e hitos que los artífices fueron cubriendo,veamos ahora brevemente algunos aspectos estructurales y de funcionamientode un LED azul, y también indicar algunas propiedades de los semiconduc-tores (Al,Ga,In)N que inciden directamente en el funcionamiento de sus LEDy que explican o permiten justificar las ventajas de los nitruros. Ello nos va apermitir una mejor comprensión de las dificultades que se vencieron en estainnovación, conocer las limitaciones que estos emisores de luz de estadosólido tienen, y vislumbrar algunos de los caminos a recorrer en el futuro.

La figura 6 nos recuerda el esquema de bandas simplificado de un LED dehomounión p-n, primero sin polarización externa, luego con inyección deportadores por polarización directa de dicha homounión, y finalmente semuestra la situación de confinamiento o encajonamiento cuando tenemosun LED de doble heterounión bajo polarización directa. En este último caso,en la región del semiconductor de menor ancho de banda prohibida seproduce la recombinación radiante de electrones y huecos, es decir conemisión de luz. Pero en esa región activa del LED la recombinación radiantede electrones y huecos tiene que competir con la recombinación de losmismos a través de defectos y con otros mecanismos de recombinación noradiante (por ejemplo procesos Auger). En el primer caso, la energía libe-rada en la recombinación no radiante se transforma en calor, en emisión defonones (figura 7). En los procesos Auger la energía de recombinación setransmite a otros electrones y tampoco hay luz emitida.

La eficiencia cuántica interna, la conversión en energía luminosa interna de laenergía eléctrica aplicada es un parámetro clave en un LED. Deben de mini-mizarse los defectos puntuales y estructurales, los contaminantes, imperfec-

Figura 6. Estructuras básicas de un LED: a) homounión p-n sin polarización externa y b) con polarización, cuandoelectrones y huecos se recombinan emitiendo luz; c) LED que usa una doble heterounión.

(a) Homojunction under zero bias (b) Homojunction under forward bias (c) Heterojunction under forward bias

ciones, etc., si se quiere tener un LED eficiente. En teoría, la emisión luminosaen un LED podría tener una muy alta eficiencia óptica interna, próxima al100%, y la duración del dispositivo sería ilimitada. Por la carencia de sustratosadecuados, la preocupación más intuitiva para el caso de las capas de GaNe InGaN son las dislocaciones, que suben verticalmente y que afloran a la su-perficie. Estas dislocaciones son centros de recombinación no radiante.

Como usuarios, preocupa la eficiencia de potencia final, en donde otrosfactores deben de ser tenidos en cuenta (absorción interna y en contac-tos óhmicos, caída de potencial en esos contactos, reflexiones, internas yen las superficies del chip, etc.). Por otra parte, hablando de iluminación,con el ojo humano como sensor final, hay que recordar que su mayorsensibilidad está en el verde (555 nm), un orden de magnitud mayor apro-ximadamente que al azul de 480 nm. Otro aspecto práctico, es la nece-sidad de que los emisores sean de alto brillo, de alta luminosidad, temasobre el que volveremos posteriormente.

Pasemos ahora a completar nuestra descripción de las propiedades más re-levantes de los nitruros en relación con la optoelectrónica, y a concretar algunosdetalles del funcionamiento de los LED azules de GaN/InGaN. Por falta de es-pacio-tiempo, no vamos a indicar aspectos del crecimiento epitaxial de las ca-pas y dispositivos, ni de las tensiones mecánicas causadas por los desajustes deconstantes de red cristalina en relación con el sustrato, o entre capa y capa epi-taxiales. Además, el crecimiento epitaxial se hace a altas temperaturas, en tornoa 1100 ºC para el GaN por MOVPE y ~800 ºC por MBE, y los coeficientesde expansión térmica son distintos para cada sustrato y material, originando


Figura 7. Procesos de recombinación en un semiconductor: a) no radiantes, causados por defectos y procesos Auger; b) radiantes, con emisión de fotones.

importantes nuevas tensiones y deformaciones en las capas cuando la es-tructura pasa a temperatura ambiente. La figura 8 presenta uno de los siste-mas MBE dedicado al crecimiento de nitruros existentes en el Instituto deSistemas Optoelectrónicos y Microtecnología (ISOM) de la Universidad Poli-técnica de Madrid. Estos sistemas permiten crecer capa tras capa atómica deGaN, por ejemplo, sobre el sustrato seleccionado. La velocidad de crecimientotípica es de 0,5 a 1 micra/hora, que implica una capa de átomos cada 2 se-gundos, aproximadamente. La cámara de crecimiento está bajo condicionesde alto vacío y su camisa externa está refrigerada mediante nitrógeno líquido.

La figura 9 resume el valor de la energía de la banda prohibida de los nitru-ros y sus constantes de red cristalina. Los tres binarios y sus aleaciones tie-nen estructura hexagonal, en concreto wurtzita, la más estable termodiná-micamente. La célula unidad tiene dos parámetros de red, a (perpendicularal eje óptico) y c (a lo largo del eje óptico). Las propiedades físicas de loscristales tipo wurtzita son distintas a lo largo del eje c que en una direcciónnormal a él. Típicamente, el crecimiento epitaxial se hace según el eje c. El GaNes el primer semiconductor comercial no cúbico en aplicaciones optoelec-trónicas. Para todo el margen de composiciones, la estructura de bandas deenergía es directa (situación óptima para las propiedades optoelectrónicasal no necesitar fonones para la recombinación de huecos y electrones). To-mando como referencia el GaN por ejemplo, las diferencias de constantesde red para contenidos bajos de Al e In son razonables, y por tanto es via-ble la obtención de aleaciones con los otros binarios de la familia (AlN, InN),y con ello la fabricación de heterouniones, que resultan ser del tipo I.

Teniendo en cuenta los datos presentados en la figura 9, para una emi-sión luminosa en el azul (λ ~ 450 nm <=> 2,7 eV), el material activo


Figura 8. Sistema MBEpara el crecimiento de capasepitaxiales de nitruros bajoalto vacío. El N entra en lacámara de crecimiento desdeuna fuente de plasma de Ny los átomos de los elementossólidos se evaporan desdecélulas situadas en elinterior de la cámara decrecimiento.

debe de ser el InGaN, con un contenido de In del orden del 5% cuandose usa un pozo cuántico, ya que la emisión del GaN corresponde al UVcercano, (UVA, λ ~ 360 nm <=> 3,4 eV).

Insistimos en que el sistema hexagonal tiene baja simetría, no tiene cen-tro de simetría. El eje c [0001] del hexágono no es eje de simetría bidi-reccional, y el plano C puede contener sólo átomos de Ga o N. Es unode los planos polares. También hay planos no polares (planos M y A en lafigura 9). Estos semiconductores tienen polarización espontánea, de mag-nitud semejante para el GaN y el InN, pero muy diferente cuando hay Al.Por otra parte, son semiconductores piezoeléctricos, y bajo deformacióngeneran campos eléctricos altos que se combinan con el campo debidoa la polarización espontánea, con magnitudes resultantes del orden delMV/cm en dispositivos usuales. Ya se indicó que si mediante barreras depotencial confinamos los portadores de carga en una región suficiente-mente estrecha, de unos pocos nanómetros, se forma un pozo cuántico,llevando a que electrones y huecos sólo puedan ocupar estados con va-lores discretos de energía (figura 10). La baja dimensionalidad causa uncambio dramático en la densidad de estados y en las propiedades exci-tónicas de la estructura. La eficiencia de la recombinación de electronesy huecos aumenta muy marcadamente en un pozo cuántico, y es la es-tructura necesaria para obtener un LED de alto brillo.

Una propiedad muy positiva del GaN es su fuerte enlace electrónico (8 eV,casi el doble que en el ZnSe), enlace que es parcialmente iónico. Es un ma-terial que aguanta altas temperaturas, es un material duro (especialmenteel AlN), a temperatura ambiente es inerte a ambientes agresivos y a la oxi-dación atmosférica, en términos relativos es fuerte frente a radiaciones,


Figura 9. Energías de labanda prohibida yconstantes de red para lafamilia de semiconductores(Al,Ga In)N y posiblessustratos. La energía de labanda prohibida del InNdebe de corregirse a 0,7 eV.También se indica suestructura cristalina,wurtzita.

Energy Gap (eV)

Lattice Parameter (A)

comparado con el Si o el GaAs, y resiste campos eléctricos muy eleva-dos (del orden de MV/cm). Su índice de refracción es alto (2,6), lo quecausa dificultades para la extracción al exterior de la luz generada en elchip. Las masas efectivas de electrones y huecos son altas comparadascon el GaAs, por ejemplo, la movilidad de electrones es razonable en elmaterial en volumen (~1000-2000 cm2/V.s), la velocidad de arrastre acampos altos es muy alta (2,8 x 107 cm/s, 1,5 veces la del GaAs), y, en ge-neral, defectos y contaminantes residuales hacen que sin querer doparintencionalmente se obtengan capas con una concentración residual deelectrones del orden de 1017-1018 cm-3

. La energía de enlace del excitónes media-alta (26 meV). Pero la carencia de sustratos de GaN adecuadoses aún el problema más importante. La disponibilidad comercial de sus-tratos de SiC es ahora notable, y junto con el zafiro y el Si, son los sus-tratos más usuales según la aplicación. En la figura 9 se han indicado comoreferencia los parámetros de red de estos sustratos. La estructura de ban-das de valencia del GaN es distinta a la de los semiconductores com-puestos cúbicos. Las propiedades ópticas en un plano es dependiente dela dirección de crecimiento (polar o no polar), y hay importantes efectosen la polarización de la radiación emitida. Indiquemos que los dispositivoselectrónicos basados en nitruros también están generando una gran ac-tividad de I+D, y se han comenzado a introducir comercialmente en elec-trónica de potencia y en aplicaciones de microondas.

Para el caso de un LED azul con pozo cuántico de GaN/InGaN, la ener-gía de emisión está gobernada por la anchura del pozo y el contenido deIn. La figura 10.c ilustra cómo debido a la presencia de los campos de po-larización en el pozo cuántico (en este caso campos piezoeléctricos de-


Figura 10. Formación de un pozo cuántico mediante dos heterouniones. En él se confinan los portadores, y su energíatoma valores discretos. A la derecha se indica la situación creada por los campos piezoeléctricos en el casoGaN/InGaN/GaN.

bidos a la diferencia de constantes de red y a la deformación térmica), seproduce una separación espacial de los electrones y huecos en dichopozo, reduciendo la fuerza del oscilador, la probabilidad de recombina-ción. Para minimizar esta separación espacial de huecos y electrones lospozos cuánticos de los LED basados en nitruros, crecidos usualmente alo largo del eje c, es decir, en un plano polar, se fabrican muy delgados.Típicamente la zona activa del LED azul tiene de 3 a 5 pozos cuánticosde InGaN, de 2 a 5 nm de ancho, con un contenido de In del orden del5-10%, y con barreras de GaN. La figura 11 indica la estructura de unLED azul que ya contiene las distintas capas, incluida la barrera de bloqueode electrones (típicamente una capa de AlGaN que aumenta notable-mente el confinamiento de los electrones y la eficiencia de recombinación).El dibujo de los pozos cuánticos está simplificado y no incluye los camposde polarización. La estructura del primer LED azul con un pozo cuántico,desarrollado por Nakamura en 1995, se muestra en la figura 12.


Figura 11. Estructuracompleta de LED denitruros basado enpozos cuánticos, y queincluye las capas deconfinamientoóptico/eléctrico.

Figura 12. Estructura de capas, diagrama simplificado de bandas de energía y detalles del chip del primer LED azulcon un pozo cuántico desarrollado por Nakamura en 1995.

WWhhaatt iiss aa bblluuee LLiigghhtt EEmmiittttiinngg DDiiooddee ((LLEEDD))??

Veamos ahora dos aspectos propios de los nitruros en relación con losLED azules. Por un lado, a) el papel que juegan las dislocaciones, dada sudensidad tan alta en los nitruros, y nos preguntaremos por qué en un ma-terial con tantas dislocaciones, tan defectuoso, la eficiencia de recombi-nación radiante de los LED de GaN/InGaN es tan alta. Por otro lado, b)consideraremos el tema de la vida media de estos LED, su duración enfuncionamiento, y presentaremos los parámetros que parece son más im-portantes en este comportamiento.

El desajuste de red entre el GaN y el zafiro, o con el Si, es tan grande,que a pesar de que el uso de las capas finas de acomodación de AlN ode GaN crecidas a baja temperatura alivian el problema (los buffer deAkasaki), existe una muy alta densidad de dislocaciones verticales quedesde el sustrato llegan hasta la región activa del dispositivo, e inclusohasta la superficie. La naturaleza de esas dislocaciones y su papel, deter-minando si se comportan como centros neutros o bien como centrosde recombinación no radiante, ha sido estudiada en detalle por varias téc-nicas de luminiscencia y microscopía (PL, CL, EL, HRTEM, SNOM, etc.).Este estudio se ha hecho a posteriori de la comercialización de los LEDazules. Las dislocaciones de borde son las más numerosas y la informaciónactual indica que actúan como centros de recombinación no radiante, in-troduciendo un nivel profundo hacia el centro de la banda prohibida delGaN. En un modelo muy simplificado de distribución uniforme de dislo-caciones, y sólo para situarnos numéricamente, en un material con 109 dis-locaciones por cm2, la distancia media entre ellas sería del orden de 300nm. Por tanto, por ejemplo en el GaN, la longitud de difusión de los por-tadores tiene que ser razonablemente más pequeña que esa cantidadpara obtener una razonable recombinación radiante en ese material. Lon-gitudes de difusión de decenas de nm, o del orden de 100 nm, son muypequeñas en comparación con otros semiconductores, y este parece serun comportamiento del GaN que explica la alta eficiencia de la recom-binación radiante en él. Lo que se cree que sucede en un pozo de In-GaN, en la zona activa de un LED azul actual, se indica posteriormente.

La figura 13 presenta los espectros de emisión de LED azules y verdes ba-sados en nitruros (GaInN/GaN), y de LED rojos de AlGaInP/GaAs, y pue-den compararse con el espectro de emisión de una lámpara defluorescencia compacta usual. Estos LED rojos y azules tienen hoy día unaeficiencia cuántica externa mayor del 50 %. Este resultado quizás nos


puede parecer algo sorprendente para el InGaN. Por un lado hemos in-dicado que los campos de polarización en el pozo cuántico de In-GaN/GaN no ayudan a una buena eficiencia de la recombinación radianteen dicho pozo (figura 10b), y además la falta de sustratos adecuados causala gran densidad de dislocaciones de los nitruros en comparación conotros semiconductores comerciales. ¿Cómo es posible que dos LED enque uno tiene más de seis órdenes de magnitud más dislocaciones por cm2

más que el otro (un azul frente a un rojo de la figura 13), puedan tenerla misma eficiencia cuántica? ¿Cuál es el origen de la alta eficiencia de losLED de InGaN?.

Este tema ha merecido gran atención, es uno de los puntos clave del fun-cionamiento del LED azul de InGaN/GaN, y con él surge otra vez el temade la baja dimensionalidad. Es conocido que el uso de aleaciones en lazona activa de un dispositivo, y en concreto en pozos cuánticos, puedecrear no uniformidades localizadas debido a fluctuaciones tanto de la an-chura del pozo cuántico como de la composición de la aleación. Si ade-más hay tensiones, es decir, deformación en el pozo, éstas pueden jugarun papel importante en estas no uniformidades. Se generan fluctuacionesde potencial que conllevan la localización de portadores y excitones. Es-tos efectos de localización son más pronunciados en el caso del InGaNdebido a que sus binarios (GaN e InN) tienen bandas prohibidas muy di-ferentes y diferencias notables en las constantes de red. La existencia deestos efectos de localización de excitones y portadores en los pozos deInGaN de los LED azules ha sido demostrada por varias técnicas. Estoscentros de localización se pueden considerar como puntos cuánticos, omejor, discos cuánticos. Se estima que tienen unos radios de unos 2 nm,


Figura 13. Espectros de emisión de LED basados en nitruros y en AlGaInP, que se puede comparar con el espectroemitido por una lámpara fluorescente compacta usual.

con alturas de fluctuaciones de potencial de unas decenas de meV, segúnel contenido de In y espesor del pozo cuántico, y con unas densidades enel rango de 1011 cm-2. De estos estudios se ha visto que esta creación denano-inhomogeneidades se produce óptimamente cuando las composi-ciones de In son pequeñas, correspondiendo a emisiones en torno a unos480 nm (~ 10% de In), cubriendo por tanto el margen violeta-azul. Qui-zás se puede decir que Nakamura, además, tuvo suerte, pues la visión ac-tual es que estos centros de localización evitan que portadores y excitonessean atrapados por otros centros no radiantes, ayudando así a la buenaeficiencia cuántica del LED azul.

Según esta descripción, la zona activa de InGaN contiene gran cantidadde dislocaciones más esas nano fluctuaciones de In o puntos de localiza-ción (seudo puntos cuánticos). El modelo actual es que esos centros ori-ginan fluctuaciones de potencial y en sus mínimos se atrapan portadoresy excitones antes de que lleguen a una dislocación. Deben de tener unradio de captura pequeño, de unos 20 nm, y posibilitan así una alta efi-ciencia cuántica incluso en presencia de la alta densidad de dislocaciones.

Si la temperatura aumenta o si la densidad de corriente es muy elevada,habrá portadores que tiendan a escaparse de los centros de localización,y, por tanto hay más peligro de que los portadores caigan en las disloca-ciones. Esta situación hará más sensible al material frente a las disloca-ciones, obligando a reducir su densidad para tener una buena eficienciacuántica interna. La figura 14 trata de esquematizar la situación descritaen la zona de InGaN: hay muchas nano-inhomogeneidades de In, que es-


Figura 14. Esquemaque trata de representarla presencia dedislocaciones en elInGaN, capa activa delLED azul, y como entreellas hay seudo puntoscuánticos producidos porinhomogeneidades delcontenido de In.

tán entre las dislocaciones, y ayudan a la mayor recombinación radianteporque capturan los portadores antes de que éstos lleguen a esas dislo-caciones.

Con respecto al importante tema de la vida media, de la duración en fun-cionamiento de estos LED, en general se sabe que en los dispositivos op-toelectrónicos que trabajan con altas densidades de corriente ladegradación surge por recombinación no radiante en defectos y disloca-ciones (generación puntual de calor), provocada por dislocaciones quepueden moverse, multiplicarse e incluso aglomerarse, formando puntosy zonas “negras” en el semiconductor. No se conoce mucho aún sobre lafísica de la fiabilidad y degradación en dispositivos de (Al,Ga,In,N). Es po-sible que el enlace electrónico tan fuerte ayude a dificultar el movimientode dislocaciones en GaN. Se ha comprobado experimentalmente que sise quiere obtener una vida media suficiente en LED de alta intensidad oen un láser, hay que usar un material con una menor densidad de dislo-caciones que para un LED de baja inyección. Existe una proyección di-recta entre una alta densidad inicial de dislocaciones en el material, unaelevada densidad de corriente y una menor vida media del dispositivo.Por tanto, parece que la densidad de dislocaciones impone condicionesno sólo sobre la eficiencia cuántica sino también sobre la vida media deldispositivo. Estos resultados experimentales fueron ya detectados en losprimeros desarrollos de diodos láser y LED de potencia y llevaron a creartécnicas de crecimiento epitaxial más sofisticadas que llevan a una densi-dad de dislocaciones incluso por debajo de 108 cm-2 (la idea básica se in-trodujo en la denominada epitaxial lateral overgrowth, ELO o ELOG). Estatécnica de crecimiento lateral ya fue usada por Nakamura para sus dio-dos láser. Esta tecnología también permite fabricar LED de muy alto bri-llo, adecuados para iluminación general, y que permite vidas medias devarias decenas de miles de horas.

IIlluummiinnaacciióónn ddee eessttaaddoo ssóólliiddoo

La fabricación de un LED de alta eficiencia y alto brillo implica, primero,obtener obleas con las capas semiconductoras crecidas epitaxialmentesobre el sustrato seleccionado (véanse figuras 11 y 12). Posteriormentese depositarán los contactos metálicos, y las obleas serán cortadas luegoen pastillas o chips, y finalmente los chips luminosos se encapsularán ade-


cuadamente. Desde su invención hace una década, los progresos en LEDazules de nitruros han llevado a una mejora de más de un orden de mag-nitud en su eficiencia luminosa. Hay dos áreas para introducir mejoras,por un lado aumentar la eficiencia cuántica de la recombinación radiante,y por otro lado extraer más eficientemente al exterior del chip esa luz ge-nerada. En el primer caso hay que cuidar los aspectos “físicos internos”del dispositivo, la calidad del material, para que los pares electrón-huecono se “pierdan” en defectos. En el segundo caso, se requiere una inge-niería óptica del producto que evite absorciones indeseadas, reflexionesen la superficie, o luz que se emite al exterior en direcciones no útiles. Hayque optimizar la textura de las superficies por las que se debe emitir laluz, y tener en cuenta las diferencias de índice de refracción con el aire,como se comentará posteriormente. También se plantean diseños quecontemplan espejos, reflectores y cavidades resonantes para la longitudde onda de emisión. Una técnica usada frecuentemente en aplicacionesde comunicaciones es el uso de reflectores distribuidos de Bragg, tam-bién crecidos epitaxialmente.

Las fuentes luminosas, las lámparas usadas normalmente en iluminación,son del tipo incandescencia, fluorescencia y de alta intensidad por des-carga en gases. La figura 15 refleja los progresos en la eficiencia luminosay en la eficiencia cuántica total de los LED frente a esas fuentes lumino-sas clásicas. A partir de estos resultados, bajo el punto de vista técnicono parece un sueño pensar en iluminación general basada en LED, en es-tado sólido. Muy recientemente se han obtenido en muestras de labora-torio iluminaciones de 169 lúmenes/W y eficiencias cuánticas internasmayores que el 75% y eficiencias externas mayores del 60%, lo cual con-


Figura 15. Evoluciónhistórica de laeficiencia luminosa deLED en comparacióncon los elementosusuales deiluminación. Seindican resultadosrecientes de laboratorioy de un fabricantecomercial, ambosobteniendo LEDblancos con eficienciasmayores de 150lúmenes por vatio.

firma que hay posibilidades reales para la iluminación con chips, para ilu-minación de estado sólido. El pasado año se anunció una eficiencia de100 lúmenes/W ya en línea de producción.

Las ventajas de la iluminación con estado sólido parecen claras: duraciónnotablemente superior a las lámparas clásicas, no hay partes móviles nicápsulas frágiles, tamaño más reducido, se puede hablar de iluminacióndistribuida, se puede trabajar en modo pulsado con un control electró-nico de la iluminación, la eficiencia energética que se puede alcanzar ac-tualmente en el laboratorio es mayor del 60%, frente al 4% o el 25-40%de la incandescencia o la fluorescencia comerciales, respectivamente, nohay uso de Hg (caso fluorescencia), no hay emisión en el IR ni en el UV,etc. (véase la figura 13).

Pensando en una bombilla de luz blanca de estado sólido, la figura 16 ilus-tra los caminos posibles hoy día: usar tres LED (rojo, verde y azul); o usarun LED azul (o UV) que excita un fósforo conversor adecuado (o variosfósforos). Los fósforos son materiales muy conocidos y que se desarro-llaron para aplicaciones en electrónica e iluminación convencional. Sonconversores de energía de la radiación, desde un valor alto a uno másbajo, y su eficiencia de conversión es hoy día muy alta (uso en tubos derayos catódicos, pantallas TRC para TV y monitores, tubos fluorescentesy lámparas compactas fluorescentes, detección de rayos X y otras radia-ciones muy energéticas, etc.). En concreto, el Y3Al5O12:Ce3+ tiene muybaja degradación térmica y química, es poco corrosivo, y tiene una efi-ciencia cuántica de conversión de casi el 100%. La última solución indicadapara un LED blanco, LED azul más este fósforo YAG:Ce (combinación deradiación azul más la amarilla del fósforo), es la dominante actualmente y


Figura 16. Solucionesbásicas para laobtención de un LEDblanco: bienincorporando treschips emitiendo enlos colores primarios,o bien disponiendoun LED azul, o deUV, recubierto de unfósforo adecuado quecomplementa laemisión del chip.

es la más económica. El esquema de la estructura para esta solución serefleja en la figura 17.

La trascendencia que tendría en el consumo global de electricidad unahorro en la energía consumida en iluminación es obvia. La iluminación su-pone aproximadamente un 20% del consumo global de energía y, anteestas magnitudes, no es difícil hacer cálculos sencillos y espectacularespara determinar las reducciones de consumo energético y de combusti-ble que se derivarían de una introducción progresiva de la iluminación deestado sólido (figura 18). Varias instituciones en EE UU y Europa han he-


Figura 17. Detalle de la estructura y emisión de un LED blanco basado en un chip azul recubierto de un fósforoamarillo.

Figura 18. La iluminación nocturna en la Tierra y algunas estimaciones del ahorro energético que la iluminación porchips supondría.

cho ese tipo de cálculos. En España, para un caso simple, si los 300 000semáforos instalados utilizasen LED, el ahorro energético sería del ordende 50 GW.h/año. También por ello, por la importancia económica del mer-cado, el negocio de estas lámparas de estado sólido es muy significativo.Es un mercado con gran competición, y con I+D apoyada gubernamen-talmente en EE UU, Japón, Corea, Taiwán y China. El Departamento deEnergía (DOE) EE UU mantiene un apoyo a la I+D muy significativo, y en2008 acaba de ”iluminar” con 21 M$ a 13 proyectos sobre iluminación conestado sólido. Hay que tener en cuenta que este tipo de iluminación abrenuevas posibilidades sociales en áreas geográficas donde la red de distri-bución de energía eléctrica no llega a los hogares, pero donde sí puedenestar disponibles generadores mecánicos o fotovoltaicos.

Para la introducción progresiva de la iluminación general por estado sólidohay que aumentar la eficiencia energética final de los LED blancos, aumen-tar el flujo luminoso por dispositivo, establecer normas y criterios para la es-tandarización, y sobre todo, reducir los costes de fabricación. El encapsuladode un LED ha pasado de ser simple, con un chip de ~ 0,1 mm2, en un ciertotipo de resina epoxy y no tener problemas térmicos, a tener que cumplirnuevos requisitos de todo tipo. Los chips de iluminación tienen áreas del or-den del mm2, plantean problemas de disipación térmica (en el rango del W),trabajan con corrientes elevadas, y necesitan un encapsulado que no se de-grade por el alto flujo óptico o por la radiación UV emitida, según el caso.Para darnos una idea cuantitativa, podemos tomar como ~ 3 V la tensión


Figura 19. Detallede encapsulados delos chips de nitrurospara emisoresluminosos depotencia.

a aplicar a un chip de LED azul, y cuando se requiere un emisor de cientos-miles de lúmenes hay que emplear un número adecuado de chips, de LED,en paralelo. Aproximadamente, para dispositivos comerciales actuales, enun chip de 1 mm2 de área se generan 330 lúmenes para una corriente de1 A, y 570 lúmenes para 3 A, que es superior a la iluminación de un tubofluorescente de 40 W.

En una primera fase, la sustitución de las lámparas fluorescentes com-pactas y de incandescencia por LED se está haciendo empaquetando loschips de LED de tal forma que los zócalos de conexión y las tensiones dealimentación sean los mismos que los de las lámparas que se quiere sus-tituir. Se busca la compatibilidad y la sencillez en la sustitución. La figura20 muestra unos productos comerciales muy recientes para uso general,basados en esta filosofía.

En relación con la reducción de costes, todos hemos vivido en las últimasdécadas este aspecto en prácticamente todos los equipos electrónicos. Enciertos productos se han visto, en pocos años, reducciones de coste del50%, o, a veces, de casi en un factor diez. Los análisis de algunos fabri-cantes de LED blancos cifran la reducción necesaria en costes en un fac-tor del orden de 20 para poder penetrar realmente en el mercado de lailuminación general. Hay que tener en cuenta que el GaN es un materialque no conlleva el uso de gases venenosos o problemas nuevos con elmedio ambiente, y por tanto la producción a gran escala parece muy via-ble en términos ecológicos.

Recogemos aquí parte del análisis que ya en 2004 hizo Jeff Y. Tsao, Sandia Na-cional Laboratories, y que permite poner números y fijar información de forma


Figura 20. Lámparasbasadas en LED parasustituir directamente alas convencionales.

cuantitativa. Podemos tomar como referencia, como elemento de ilumina-ción de nuestra vida ordinaria, una bombilla de incandescencia de 100 W, yplantearnos tener un chip de LED que sea equivalente: el chip debe de pro-ducir 1500 lumen de luz blanca, análogo a lo que emite esa bombilla (15lumen/W, figura 15). Nos planteamos que la eficiencia luminosa del chip“futuro” sea 200 lumen/W (ya se han demostrado más de 150 lumen/W,figura 15). Esta eficiencia es el doble que la de los tubos fluorescentes ac-tuales, y si se llega a esa cifra con LED de una cadena de producción quieredecir que se ha logrado un hito importante. Eso nos lleva a una potenciaeléctrica para el chip de 7,5 W, que para una conversión de potencia del 50%,ya obtenida para LED azules y rojos, indica que unos 3,75 W se dedican ala generación de luz blanca y otros tantos hay que disiparlos como calor. Sesupone que el consumidor quiere pagar sólo 3 $ por su bombilla de es-tado sólido, lo cual lleva (ganancias y gatos de encapsulado) a un chip ven-dido por el fabricante en 0,75 $. ¿Cómo debe de ser de grande el chip? Haydos casos extremos: un chip de área grande porque es de estructura sim-ple y el coste por unidad de área no es elevado; el otro caso es pensar enun chip sofisticado con un coste por unidad de área muy elevado. Tomadode datos reales para LED y diodos láser de potencia, el coste en el primercaso es del orden de 30 $/cm2 y en el segundo de 300$/cm2. Para la pri-mera opción, el chip sería de 2,5 mm2 y para el segundo caso de 0,25 mm2.Esto lleva a un chip grande trabajando con una densidad de potencia térmicade 300 W/cm2, o a un chip pequeño trabajando a 3 kW/cm2. Unos cálculosrealistas indican un chip que puede alcanzar los 375 K o un pequeño chip tra-bajando a 425 K. En comparación con otros materiales, se ha indicado quelos nitruros trabajan bien a alta temperatura, por tanto ambas soluciones sonposibles, aunque los diseños térmicos de los encapsulados serán distintos.¿Cuál de los dos caminos se seguirá? Como indicaba la figura 19, la tenden-cia actual ha sido ir pasando de chips de LED del orden de 0,1 mm2 a ta-maños de ~1 mm2, pero es difícil predecir la próxima tendencia.

Y ahora entran los factores de la vida media, de la duración del disposi-tivo. Para aumentar la eficiencia luminosa del chip, desde los 150 lumen/Wactuales en el laboratorio hasta los 200 en la línea de producción futuraprevistos en este análisis, hay que aumentar la eficacia con la que se ex-trae la luz generada en el interior del chip y también aumentar la re-combinación radiante (la eficiencia cuántica interna). Dependiendo de encuál de las dos direcciones se quiera/pueda avanzar hay implicaciones so-bre la calidad del material, sobre la densidad de dislocaciones tolerables.


En el chip pequeño, que está bajo una densidad más alta de corriente ytemperatura más elevada, los portadores pueden escapar ocasionalmentede las fluctuaciones de potencial y la eficiencia empieza a decrecer cuandola densidad de dislocaciones está en la zona alta de 108 cm-2. Para el chipde área grande la disminución de la eficiencia de la recombinación ra-diante se produce para la zona alta del rango de 109cm-2.

OOttrraass aapplliiccaacciioonneess

Antes de plantearnos comentar sobre la I+D aplicable a los LED basadosen nitruros, sobre las esperadas nuevas generaciones de dispositivos queentren en el mercado de la iluminación general, queremos indicar el im-pacto que LED y láseres en el azul y el UV están ya teniendo en otros fren-tes. La aplicación de LED en semáforos fue el primer mercado masivo, yasí lo reconocieron los responsables de las finanzas urbanas (ventajas enconsumo, mantenimiento, duración, versatilidad, etc.). Por su importanciacomercial y en las tecnologías de la información, destacan también losnuevos sistemas de discos ópticos de gran capacidad (DVD de 27 GBpor capa), que ya han llegado al consumidor gracias al uso de diodos lá-ser azules para la lectura/escritura. Toda la señalización interna y la ilumi-nación hacia el exterior de un automóvil parecen técnicamente posiblesvía LED, llevando potencialmente las necesidades de LED blancos y deciertos colores a decenas de millones anuales. En relación con iluminaciónde teléfonos móviles, pantallas de vídeo y visualizadores de informaciónalfanumérica, ya se indicaron algunos datos al principio de esta lección, yes también un sector afianzado y creciente.

Y hay un área muy amplia, de gran interés, en relación con la biofotónicay la medicina, y muy abierta a la innovación. La radiación solar terrestreen el rango de 280 a 760 nm (UVA+UVB+VIS) es de gran interés enBiología, Agricultura, Medicina, Biofotónica, etc. Por primera vez, tenemosuna familia de semiconductores (Al,Ga,In,N), que puede generar luz (LEDy diodos láser) y detectar también esas longitudes de onda sin filtros ex-ternos, en todo ese rango tan crucial para la vida. El uso de LED y fotode-tectores específicos permite integrar fuentes luminosas y detectoresdiseñados para ciertas longitudes de onda, minimizando tamaño, consumo,el uso de filtros externos e, incluso de precio bajo. En relación con lastécnicas de fluorescencia, hay ya numerosos desarrollos comerciales


usando LED y diodos láser azules y UV, por ejemplo. Desde sistemas delectura de biochips hasta realizaciones de “laboratorio en un chip” (lab ona chip), todos pueden beneficiarse de los dispositivos optoelectrónicosbasados en nitruros, y pueden además integrar otros tipos de sensores detipo electrónico también basados en nitruros.

Otro ejemplo de uso de los LED de UV es en relación con la fotocatáli-sis del TiO2, que irradiado con luz de λ < 390 nm actúa como oxidantede materia orgánica generando finalmente CO2 y agua. Se pueden dise-ñar superficies autolimpiadoras para purificación y limpieza de ambientes,y en la misma línea, superficies anti-hongos o anti-bacterias. Con esta baseya se han desarrollado prototipos para refrigeradores domésticos “antiolores” y pinturas especiales para salas clínicas. Otra aplicación de los LEDde UVB-UVC se refiere a los sistemas de purificación de agua, en que unconjunto de LED de UV (λ ~250 nm) iluminan la salida del circuito deprovisión de agua, aplicación de esterilización con implicaciones socialespotencialmente importantes.

En relación con la fotosíntesis, la clorofila absorbe luz en un amplio es-pectro, desde los 400 a los 700 nm aproximadamente (simplificando,desde el rojo al azul), y en los experimentos de crecimiento de plantasbajo una iluminación “por diseño” se ha comprobado el efecto muy po-sitivo de incluir una fracción en el azul de la intensidad luminosa artificialque se aplique. Hay también estudios de los efectos de la iluminación so-bre el estado emocional de las personas, para combatir el desorden afec-tivo emocional en países nórdicos con poca luz solar, y se ha demostradolo beneficioso de la radiación azul. También se han realizado estudios te-rapéuticos de fotodermatología con LED de UV cercano. Los experi-mentos del efecto biológico en seres vivos según la longitud de onda(biological action spectrum), se pueden realizar ahora con elementos sim-ples y sencillos. Se ha realizado fototerapia contra la ictericia en neona-tos (la luz azul se absorbe en la piel y produce fotodegradación de labilirrubina), usando LED azules. En el caso de los fotodetectores basadosen nitruros, podemos aclarar que igual que controlando la composicióny geometría de la zona activa del LED se diseña cuál es la longitud deonda de emisión, en la fotodetección la situación es análoga: se diseña elfotodetector para que sea sensible a ciertas longitudes de onda y “ciego”a otras, sin necesidad de filtros. Así, por ejemplo, el efecto eritema de laradiación solar UV sobre la piel humana se puede determinar con un sim-


ple fotodetector de AlGaN sin filtros externos y sin fósforos converso-res, elementos que sí son necesarios en los equipos comerciales basa-dos en fotodetectores de Si.

AAccttiivviiddaaddeess ddee II++DD

Si dejamos aparte la I+D primaria para cualquier estructura con nitrurosreferente a la disponibilidad de sustratos adecuados (por ejemplo, de GaNo AlGaN) y a mejorar la calidad del material, para el objetivo de aumentarla eficiencia energética y de iluminación de un LED, destaca en primer lugarla investigación para incrementar la eficiencia cuántica interna y para produciremisores muy brillantes de alta intensidad. Para el primer objetivo uno de loscaminos es producir emisores usando nitruros crecidos en planos no pola-res, es decir, crecidos según direcciones cristalinas que eliminan el efecto pie-zoeléctrico (planos M, planos A, figura 9) y con ello los campos internos ge-nerados. De esta forma ya no se generan los campos piezoeléctricosreflejados en la figura 10.c, campos que separaban huecos y electrones enlos pozos cuánticos, y que reducen la eficiencia cuántica. Esta línea de inves-tigación está liderada a nivel mundial por el propio grupo de Nakamura enUCSB, aunque hay una amplia actividad en muchos otros grupos. Se buscaasí una mayor eficiencia en los LED y una menor corriente umbral en losláseres, y ambos objetivos ya han sido parcialmente conseguidos. Además,para aumentar la eficiencia cuántica interna a altas densidades de corrientese están estudiando en detalle los mecanismos de recombinación Auger yconsiderando diseños optimizados de LED que mantengan una alta eficien-cia cuántica interna a altas densidades de corriente.

La investigación usando orientaciones no polares enlaza con el objetivode producir LED muy eficientes en el verde. En la actualidad, los LED dealta eficiencia existen en el azul (nitruros plano C) y en el rojo (AlGaAsP),pero no en el verde. Este “problema del verde” en los nitruros está siendoestudiado con ahínco por la comunidad científica de los nitruros, y que pa-rece está ligado a la introducción y comportamiento de la aleación InGaNpara mayores contenidos de In, como hemos señalado antes. Esta línea deI+D busca un control intencionado de las inhomogeneidades nanométri-cas de In, de las fluctuaciones de potencial, de la localización, de la forma-ción de los puntos cuánticos de InGaN. Un enfoque más extremo es lafabricación de LED basados en puntos cuánticos de InGaN autoensam-


blados, que se crecerán, por ejemplo, formando capas sobre GaN. Esteobjetivo en relación con LED y diodos láser en el verde mantiene viva laI+D de la comunidad aún dedicada a los compuestos II-VI calcogénidos, se-miconductores ya indicados al principio de la lección (figura 4).

Por otra parte, hay una batería de posibilidades para aplicar a los LED denitruros, dirigidas a mejorar la eficiencia de la extracción de la luz, mejo-ras e ideas en gran medida ya “conceptualmente disponibles”. El alto ín-dice de refracción del GaN (2,6) origina que si se tienen superficies planas,las naturales al fabricar el chip, los rayos luminosos generados interna-mente sufran múltiples reflexiones en la superficie y que al final escapenal exterior por algún lateral, que suele tener una superficie rugosa deri-vada del corte con sierra del chip. El ángulo crítico es reducido, hay uncono de escape, un margen de ángulos de incidencia en la superficie su-perior del LED, para que la luz escape al exterior sin reflexión hacia el in-terior del chip. La solución pasa por generar rugosidad o texturizaradecuadamente la superficie superior del chip, y hoy día se ha propuestoproducir pequeños conos en esas superficies que aumentan en un factor4 la luz emitida por esa superficie superior (figura 21). Se han obtenidoeficiencias de extracción mayores del 80%. También se pueden conseguirmejoras en directividad y eficacia de extracción creando una estructurade cristal fotónico en la superficie superior del LED.

Los LED y láser para UV con longitudes de onda corta presentan proble-mas propios, que no hemos mencionado, y que requieren una I+D especí-fica. La mayor energía de emisión requiere estructuras de pozo cuántico endonde las barreras y los pozos suelen tener Al en concentraciones molaressignificativas. El uso de contenidos altos de Al, con importantes desajustes de


Figura 21. Paraaumentar laeficiencia de laextracción alexterior de la luzgenerada en el chip,se crea unarugosidad especial,microconos, en lasuperficie deemisión.

red, crea tensiones mecánicas que generan campos piezoeléctricos muy al-tos y riesgo de grietas, problemas que requieren enfoques nuevos en el cre-cimiento epitaxial, en las aleaciones usadas (por ejemplo cuaternarias,AlInGaN), y en la elección de sustratos específicos para estos desarrollos.Hay importantes problemas de localización y del efecto de los altos camposde polarización. Recientemente NTT ha demostrado un diodo LED de ho-mounión de AlN con una emisión UV en 210 nm. Se puede intuir el graninterés científico y práctico que tienen estos dispositivos de UV, y por ello lainvestigación en esta área es muy activa. En la actualidad existen ya LED deUV comerciales, con emisiones abarcando el rango UV hasta los 250 nm.

Hablando de I+D, el mercado de la iluminación es tan suculento, y las pa-tentes sobre nitruros están en manos de unas muy pocas compañías (pa-tentes sobre LED de nitruros que tratan de cubrir todas las posibilidadesante competidores), que la búsqueda de otras alternativas se ha exacer-bado. Como se ha indicado, el “problema del verde”, el problema de losLED verdes de alta eficiencia y de los láseres en el verde, está sin resol-ver satisfactoriamente. Por todo ello, se buscan nuevas soluciones, nuevosmateriales candidatos entre los que aparecen en la figura 4. Así se siguenexplorando soluciones usando los calcogénidos II-VI. Por otra parte, la in-vestigación sobre los óxidos II-VI (ZnO, CdO, MgO) para generar luz vi-sible es hoy día muy intensa, aunque el camino parece largo, dado quetodavía no se han podido conseguir uniones p-n formadas únicamentepor estos materiales. Las constantes de red del ZnO y del GaN son muypróximas y sí se han fabricado LED de hererounión (GaN:p-ZnMgO:n)con emisión en varios colores. Podemos pensar que se trata de repetirla gesta de Nakamura y colaboradores, pero ahora con otros materialesy/o enfoques aún no tan cubiertos por patentes.

En relación con los LED blancos, finalmente, podemos indicar la investi-gación en relación con los fósforos conversores de energía. Los fósforostradicionales basados en tierras raras pueden ser ahora sustituidos porpuntos cuánticos de semiconductores II-VI, (ej. CdS, ), también con se-lección amplia de colores de emisión vía el control de su tamaño y com-posición, puntos cuánticos que realizan esa conversión de energía y queprometen una gran duración.

Finalmente, hay un aspecto práctico que requiere una labor importantede desarrollo en el área de las fuentes de alimentación. La iluminación


usual está basada en el uso de la red de 220 V/110 V/CA y, aunque de-pende de cada aplicación, las necesidades en iluminación con chips re-quieren bajos voltajes y altas corrientes. Hay que desarrollar conversoresCA/CA y CA/CC, de muy alta eficiencia, para este tipo de aplicaciones.En general, la tecnología es conocida y la innovación vendrá, también, porel uso en esas fuentes de alimentación de avanzados chips electrónicos depotencia, y por su integración con los circuitos de control.

AApprreecciiaacciióónn ffiinnaall

Es difícil predecir cuándo se darán las condiciones para la implantaciónmasiva de la iluminación general por estado sólido, iluminación con chipsde nitruros. Además de los aspectos técnicos y económicos que hemosindicado, hay otros ligados a la “calidad” de la luz percibida por el ser hu-mano, por el usuario, su percepción de los colores y efectos de satisfac-ción y confort, etc., que no hemos mencionado en estas páginas, y quetambién son muy importantes para la aceptación de este tipo de ilumi-nación para usos generales. Hay, por tanto, bastantes variables. Mientrastanto, hay una nueva ingeniería de la iluminación y decoración, y de la co-municación por súper-pantallas usando estado sólido. La iluminación de es-tado sólido permite la creación artística y efectos únicos con control porcomputador, y tiene implicaciones en arquitectura e iluminación de edifi-cios e infraestructuras. Quizás los actos de comienzo y final de los JuegosOlímpicos de Pekín han sido un claro ejemplo del uso masivo de estas“nuevas luces” basadas en nitruros, los “nuevos semiconductores”.

¿Cuál es el futuro de la iluminación por estado sólido? De la Física que co-nocemos hoy día, a falta de otros principios físicos que indiquen una re-combinación de huecos y electrones emitiendo luz aún más eficientemente,se puede pensar que el LED basado en estructuras de baja dimensionali-dad, en estructuras cuánticas, es lo mejor que la Física nos ofrece, es “la so-lución final”. Si esto es así, debería de ser posible, con esfuerzo, poder obtenerLED con las potencias de emisión y longitudes de onda que se necesiten encada aplicación. Esta visión es algo separable del factor humano, de pregun-tarnos si la iluminación con LED tendrá la calidad de colores y efectos sico-lógicos como para que sea aceptada, como para verla realmente pronto ennuestras casas y oficinas. Por tanto, tendremos que esperar para ver si esas nue-vas luces, estos chips luminosos, llegan a iluminar nuestra vida diaria.


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