La evolución de los LEDs: De rojo a azul - La historia de Shuji Nakamura

Los LEDs no obtienen su color de las cubiertas de plástico, sino del sistema eléctrico en sí. En 1962, el ingeniero de General Electric Nick Holonyak creó el primer LED visible que emitía una luz roja pálida. Posteriormente, ingenieros de Monsanto desarrollaron un LED verde. Sin embargo, durante décadas, solo estaban disponibles los LEDs rojos y verdes, limitando su uso a indicadores, calculadoras y relojes.

Durante la década de 1960, empresas globales de electrónica como IBM, GE y BAPS compitieron para desarrollar un LED azul, que podría potencialmente desbloquear una gama completa de colores para aplicaciones de iluminación. A pesar de años de esfuerzo que involucraron a miles de investigadores, crear un LED azul parecía casi imposible, lo que llevó a un sentimiento de desesperanza con respecto a las aplicaciones de iluminación LED.

Shuji Nakamura, un investigador de la empresa química japonesa Nichia, se embarcó en una misión radical para crear el primer LED azul del mundo. Enfrentándose a restricciones financieras y escepticismo de sus supervisores, Nakamura persistió en su investigación. En 1988, después de importantes contratiempos, el fundador de la empresa, Nobuo Ogawa, asignó 500 millones de yenes (aproximadamente 3 millones de dólares) al aparentemente inalcanzable proyecto de LED azul de Nakamura.

Los LEDs tenían el potencial de reemplazar las bombillas incandescentes tradicionales debido a su superior eficiencia en la generación de luz. A diferencia de las bombillas incandescentes que emiten principalmente calor, los LEDs funcionan como diodos emisores de luz, ofreciendo una eficiencia energética significativamente mayor. El símbolo universal de la innovación, la bombilla, era ineficiente en la producción de luz en comparación con los LEDs, lo que hace de estos últimos una alternativa prometedora para diversas aplicaciones de iluminación.

Los LEDs funcionan como diodos emisores de luz, donde los electrones en átomos aislados ocupan niveles de energía discretos. Esta analogía de niveles de energía se puede asemejar a asientos individuales en un estadio de hockey. Cada átomo del mismo elemento tiene electrones en niveles de energía específicos. Cuando fluye corriente a través de un diodo, emite luz, lo que hace que los LEDs sean fuentes de luz altamente eficientes en comparación con las bombillas incandescentes tradicionales.

Cuando los átomos se unen para formar un sólido, los electrones externos sienten la atracción de todos los núcleos, lo que provoca un cambio en sus niveles de energía. Esto resulta en la formación de bandas de energía, específicamente la banda de valencia y la banda de conducción. En los conductores, la banda de valencia está parcialmente llena, lo que permite a los electrones conducir electricidad fácilmente con un poco de energía térmica. En los aislantes, la banda de valencia está llena, creando una gran brecha de energía que impide el movimiento de electrones. Los semiconductores tienen una brecha de energía más pequeña que los aislantes, lo que permite que algunos electrones salten a la banda de conducción a temperatura ambiente.

Los semiconductores puros no son muy útiles por sí solos; se necesitan agregar impurezas a través de un proceso llamado dopaje. Por ejemplo, agregar una pequeña cantidad de fósforo al silicio introduce un electrón de valencia adicional, creando un semiconductor de tipo n. Este electrón adicional puede conducir electricidad fácilmente. Otro tipo de semiconductor es el tipo p, creado agregando boro al silicio, que introduce un hueco que actúa como un portador de carga positiva. Cuando se coloca una pieza de semiconductor de tipo n junto a un semiconductor de tipo p, los electrones se mueven del tipo n al tipo p, creando una separación de carga.

Cuando se conecta un diodo a una batería, se establece un campo eléctrico dentro de un trozo inerte de material. Los electrones se dispersan hasta que el campo eléctrico evita un movimiento adicional, creando una región de agotamiento donde los portadores de carga móvil se agotan. La polaridad incorrecta de la batería expande la región de agotamiento, bloqueando el flujo de corriente. Invertir la polaridad de la batería reduce la región de agotamiento, permitiendo el flujo de electrones de la región n a la p.

En la década de 1980, después de una inversión significativa en investigación, las empresas no lograron desarrollar la tecnología de LED azul debido a la necesidad de un material con una gran brecha de energía. El avance llegó con el descubrimiento de que una estructura cristalina de alta calidad era esencial para la funcionalidad del LED azul. La propuesta de Nakamura implicaba utilizar la tecnología de Depósito Químico de Vapor de Organometálicos (MOCVD) para producir cristales de alta calidad.

Nakamura enfrentó desafíos en su investigación, incluyendo dominar la tecnología MOCVD y superar el escepticismo de sus colegas debido a su falta de doctorado y publicaciones académicas limitadas. A pesar de estos obstáculos, Nakamura desarrolló una actitud resiliente y determinación para tener éxito.

En 1989, Nakamura regresó a Japón con un nuevo reactor MOCVD para Nichia y un fuerte deseo de obtener su doctorado. Su objetivo era lograrlo publicando cinco artículos, como era el requisito en Japón en ese momento. El viaje de Nakamura ejemplifica su perseverancia y compromiso con sus objetivos de investigación.

Los científicos habían reducido las opciones de material para el desarrollo de LED a dos candidatos principales: seleniuro de zinc y nitruro de galio. El seleniuro de zinc era la opción más prometedora debido a su baja discrepancia de red y densidad de defectos dentro del rango aceptable para el funcionamiento de LED.

El nitruro de galio enfrentó desafíos ya que era más difícil producir cristales de alta calidad, especialmente en sustratos de zafiro con una alta discrepancia en la red cristalina que resultaba en más de 10,000 millones de defectos por centímetro cuadrado. Además, la creación de nitruro de galio de tipo p era esquiva, limitando su viabilidad comercial para el desarrollo de LED azules.

En 1972, Herbert Maruska de RCA desarrolló un LED azul tenue e ineficiente utilizando nitruro de galio. A pesar de este desarrollo temprano, el proyecto fue descontinuado debido a restricciones presupuestarias. Dos décadas después, la comunidad científica aún consideraba al nitruro de galio menos favorable en comparación con el seleniuro de zinc para la investigación de LED azules.

Los doctores Isamu Akasaki y Hiroshi Amano, expertos en investigación de nitruro de galio, lograron un avance significativo al utilizar una capa intermedia de nitruro de aluminio para facilitar el crecimiento de cristales de nitruro de galio de alta calidad. Esta innovación abordó el desafío de cultivar cristales limpios de nitruro de galio en sustratos de zafiro.

Frente a dificultades para obtener nitruro de galio para el desarrollo de LED, Shuji Nakamura desmontó y reconstruyó su reactor MOCVD para mejorar el proceso de crecimiento. A pesar de los desafíos iniciales con el aluminio que causaban problemas en el reactor, la persistencia y dedicación de Nakamura finalmente llevaron a avances en el crecimiento de cristales de nitruro de galio.

En 1990, después de un año y medio de trabajo continuo, Shuji Nakamura logró un avance importante en su laboratorio. Al agregar una segunda boquilla al reactor, pudo cultivar cristales de nitruro de galio con una movilidad electrónica significativamente mayor. Esta innovación, conocida como el reactor de doble flujo, permitió a Nakamura producir cristales de nitruro de galio de alta calidad que superaron cualquier intento anterior.

A pesar de su éxito, Nakamura enfrentó desafíos dentro de su empresa, Nichia. Después de un cambio en el liderazgo, la investigación de Nakamura sobre el nitruro de galio fue detenida abruptamente por su nuevo jefe, Eiji Ogaa, quien creía que era un desperdicio de recursos. Nakamura desobedeció órdenes y continuó su trabajo, incluso publicando su investigación innovadora sobre el reactor de doble flujo sin autorización.

Siguiendo el éxito con los cristales de nitruro de galio, Nakamura se enfocó en crear nitruro de galio tipo P. Mientras que Akasaki y Amano habían avanzado en esta área, Nakamura finalmente logró producir el primer cristal de nitruro de galio tipo P del mundo. Sin embargo, el proceso de irradiar cada cristal con electrones para la producción comercial resultó ser lento e ineficiente.

En 1992, Nakamura descubrió que dopar nitruro de galio con magnesio hasta 400 grados Celsius resultaba en una muestra completamente de tipo p, superando el dopaje de electrones en la superficie. Calentar la muestra era un proceso rápido y escalable, revelando los desafíos enfrentados al lograr el tipo p para el nitruro de galio con MBE debido a que los átomos de hidrógeno del amoníaco interfieren con el dopaje de magnesio.

Nakamura tenía todos los componentes necesarios para crear un prototipo de un LED azul, que presentó en 1992. A pesar de ser aplaudido por sus esfuerzos, el LED emitía más un tono violeta y era altamente ineficiente con una potencia de salida de luz de solo 42 microwatts, muy por debajo del umbral práctico de 1000 microwatts.

Nakamura enfrentó presión por parte del CEO, Eiji, para dejar de experimentar y convertir su prototipo en un producto viable. A pesar del riesgo para su trabajo, Nakamura desobedeció órdenes y continuó con su propio juicio, lo que finalmente llevó al éxito en el desarrollo de LED.

Para aumentar la eficiencia de los LED, Nakamura se enfocó en crear una capa activa entre las regiones p y n, reduciendo la banda prohibida para facilitar el movimiento de electrones. Descubrió que el nitruro de indio y galio era el material de capa activa óptimo, lo que permitía que el LED emitiera luz azul verdadera.

El enfoque innovador de Nakamura implicó modificar su reactor para introducir indio en el nitruro de galio, creando un cristal limpio de nitruro de galio indio. A pesar de los desafíos iniciales con la fuga de electrones, Nakamura resolvió con éxito el problema al incorporar una capa de nitruro de aluminio y galio para contener los electrones dentro de la estructura del LED.

Para 1992, Nakamura había desarrollado una estructura de LED altamente compleja, culminando en la creación de un LED azul. Cuando presentó el LED al presidente de la empresa, fue recibido con aprobación, marcando la exitosa finalización de más de 30 años de investigación y desarrollo.

En 1994, Shuji Nakamura, un investigador de Nichia, creó un revolucionario LED azul que era 100 veces más brillante que los modelos anteriores, emitiendo una luz azul perfecta a 450 nanómetros. Este logro llevó a un aumento en los pedidos, con Nichia fabricando un millón de LEDs azules al mes para finales de año, casi duplicando sus ingresos.

En 1996, Nichia hizo la transición de los LED azules a los blancos agregando un fósforo amarillo encima del LED azul, creando el primer LED blanco del mundo. Esta innovación impulsó sus ventas, con ingresos cercanos a los $700 millones anuales para 2001, con más del 60% proveniente de productos LED.

Debido a su papel fundamental en el éxito de Nichia, el salario de Nakamura se cuadruplicó a $60,000, y recibió $170 por cada patente. A pesar de sus contribuciones, Nakamura enfrentó desafíos dentro de Nichia, lo que lo llevó a irse a los Estados Unidos en 2000. Surgieron disputas legales, y Nakamura eventualmente recibió $8 millones en compensación por su invención.

La invención del LED azul de Nakamura, ahora una industria de $80 mil millones, revolucionó la iluminación desde bombillas domésticas hasta farolas públicas. El uso generalizado de los LED azules en dispositivos como teléfonos, computadoras y televisores subraya su papel indispensable en la tecnología moderna.

La iluminación LED, especialmente los LED azules, se ha vuelto omnipresente debido a su eficiencia, longevidad, seguridad y opciones de personalización. Las bombillas LED de alta gama ofrecen una amplia gama de tonos blancos, con precios solo ligeramente más altos que otros tipos de bombillas. Los ahorros de costos por eficiencia energética a menudo pueden recuperar la inversión inicial en solo dos meses.

En 2010, solo el 1% de las ventas globales de iluminación doméstica eran LED. Para 2022, este número había aumentado a más del 50%. Los expertos predicen que en los próximos 10 años, casi todas las ventas de iluminación serán LED. Este cambio es significativo ya que la iluminación representa el 5% de todas las emisiones de carbono. Una transición completa a LEDs podría ahorrar aproximadamente 14 millones de toneladas de CO2, equivalente a eliminar casi la mitad de los autos del mundo. Nakamura actualmente está investigando LEDs de próxima generación, incluidos micro LEDs y LEDs.

Nakamura está llevando a cabo investigaciones sobre la próxima generación de LEDs, específicamente micro LEDs y LEDs. Estos LEDs tienen diversas aplicaciones, incluyendo en dispositivos de energía. La instalación de investigación en Estados Unidos donde trabaja Nakamura es considerada una de las mejores, gracias a sus contribuciones.

El tamaño estándar de un LED es de 300 por 200 micras, siendo el más pequeño de 5 micras. Estos diminutos LEDs pueden ser utilizados en pantallas de corto alcance como la realidad aumentada y virtual. También podrían ser utilizados para esterilizar superficies en hospitales y cocinas emitiendo luz V, la cual mata rápidamente a los patógenos.

Los LEDs utilizan nitruro de galio e indio como emisor, mientras que los V LEDs utilizan aluminio y nitruro de galio. La mayor brecha de energía de los V LEDs presenta desafíos, pero aumentar la eficiencia por encima del 50% podría hacer que los costos sean comparables a las lámparas de mercurio. Nakamura cree que las mejoras en la eficiencia son inevitables con el tiempo, a pesar de las limitaciones actuales de costos y eficiencia.

El interés de Nakamura en la física lo llevó a estudiar la fusión nuclear, culminando en la creación de una empresa de fusión nuclear. En 2014, Nakamura, junto con Akasaki y Amano, ganó el Premio Nobel de Física por inventar el LED azul. A pesar del reconocimiento público del apoyo de Nichia, la relación de Nakamura con ellos sigue siendo tensa. Su dedicación a la investigación es evidente a través de la publicación de más de 900 artículos.

El viaje de Nakamura desde un pueblo de pescadores hasta convertirse en un físico renombrado está marcado por la perseverancia y la dedicación. Su color favorito, el azul, proviene de su infancia junto al océano azul cerca de su hogar. Esta preferencia se mantuvo constante a lo largo de su carrera, incluso después de inventar el LED azul.