Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU/e) y el fabricante Lumileds han desarrollado una innovadora técnica para mejorar dos de los principales desafíos tecnológicos de los MicroLED: la eficiencia de extracción de luz y el control direccional de la emisión. El avance se basa en la integración de metasuperficies directamente en la capa de contacto del chip, una estrategia que permite manipular la radiación emitida y mejorar el acoplamiento óptico con sistemas externos

Publicado en Nature Communications Engineering, este avance puede representar un punto de inflexión en el diseño de fuentes de luz compactas con aplicaciones en realidad aumentada, displays de alta luminancia y comunicaciones ópticas.

Limitaciones estructurales de los MicroLED y el papel de las metasuperficies

Uno de los principales retos de los MicroLED es su patrón de emisión típicamente lambertiano, caracterizado por una dispersión amplia de la luz que limita su eficiencia en sistemas donde se requiere una proyección más focalizada. Este comportamiento afecta, por ejemplo, al rendimiento de pantallas visibles en exteriores o en dispositivos ópticos que necesitan una alta direccionalidad para acoplarse con guías de onda o lentes.

Para resolver esta limitación estructural, el equipo de investigación ha recurrido a la fotónica de nanoscala, diseñando una matriz de discos nanométricos que actúan como una metasuperficie embebida en la capa de contacto tipo p del LED. Estas nanoestructuras son capaces de resonar colectivamente con los dipolos emisores ubicados en la región activa del semiconductor, generando una modificación tanto en la densidad de estados ópticos como en la dirección preferente de emisión.

Eficiencia óptica y dirección: un doble beneficio

El diseño implementado tiene un doble efecto beneficioso sobre el rendimiento del dispositivo. Por un lado, las resonancias inducidas aumentan la eficiencia de recombinación radiativa, un parámetro clave que mide la cantidad de portadores de carga que generan fotones útiles en lugar de disiparse en forma de calor. Por otro lado, la geometría del entramado nanométrico permite estrechar el ángulo de emisión, duplicando el valor de intensidad luminosa (medido en candelas en el eje óptico) sin necesidad de incrementar la potencia total del LED.

Desde el punto de vista práctico, este enfoque se diferencia de otros intentos previos al evitar daños estructurales en el semiconductor. La integración de las metasuperficies se realiza como parte del contacto compuesto, una tecnología ya presente en los procesos estándar de fabricación de LEDs. Esto implica que el nuevo diseño puede adoptarse en líneas de producción existentes sin una reconfiguración profunda del equipamiento.

Implicaciones para la realidad aumentada, pantallas y comunicaciones ópticas

En aplicaciones como la realidad aumentada, la eficiencia de acoplamiento entre una fuente luminosa y un sistema de guía de onda o lentes es crítica. La dispersión lambertiana tradicional de los LEDs genera pérdidas ópticas significativas en estos sistemas, lo que repercute directamente en la visibilidad y el consumo energético de los dispositivos.

Con el nuevo diseño, al estrecharse el patrón de emisión, se maximiza el acoplamiento óptico y se reduce la necesidad de compensar estas pérdidas con mayor potencia. Esto se traduce en mejoras sustanciales en eficiencia energética, luminancia útil y autonomía en dispositivos portátiles, como gafas de realidad aumentada o proyectores miniaturizados.

En paralelo, en sistemas de comunicación óptica visible (VLC), la direccionalidad mejora la fidelidad del enlace y reduce la interferencia con otras fuentes emisoras, algo especialmente valioso en entornos densos o compartidos, como oficinas inteligentes o vehículos conectados.

Viabilidad industrial y futura adopción

La colaboración entre Lumileds y el equipo del profesor Jaime Gómez Rivas en TU/e se enmarca dentro de una alianza tecnológica de largo recorrido. Esta alianza ha permitido llevar el concepto desde un marco teórico hasta una validación funcional sobre dispositivos reales, con resultados cuantificables que demuestran el potencial de adopción industrial.

Aunque el desarrollo actual se ha probado en MicroLEDs, los responsables del proyecto aseguran que la misma estrategia puede aplicarse a otras variantes de LEDs, incluidas aquellas destinadas a iluminación general, señalización o sensores ópticos. Esto implica que el impacto del descubrimiento podría ir más allá de las aplicaciones especializadas, llegando también a productos de consumo y entornos industriales.