Un equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST) ha desarrollado una forma de producir un LED monolítico de luz blanca y sin fósforo que supera algunos de los desafíos críticos de la tecnología LED.
Mientras que la tecnología LED se ha convertido en la norma y su uso se ha extendido a la mayoría de aplicaciones en el ámbito de la iluminación, así como en el desarrollo de pantallas y dispositivos luminosos, existen todavía importantes desafíos que esta tecnología debe afrontar. Uno de ellos radica en la incapacidad de estos para emitir a través de un espectro más amplio. Emitir en un espectro más amplio es necesario para generar luz blanca y para su uso en aplicaciones donde se requiere una amplia paleta de diferentes colores.
El enfoque común para fabricar LEDs de luz blanca es combinar dispositivos de diferentes materiales, donde cada material emite un color diferente. La emisión de rojo, azul y verde se pueden combinar para crear luz blanca, pero esto aumenta la complejidad y el costo de fabricación de los LEDs. Alternativamente, un solo semiconductor se puede utilizar mezclándolo con fósforo capaz de absorber parte de la luz emitida por el semiconductor y luego reemitirla en un color diferente. Sin embargo, el fósforo se degrada con el tiempo, lo que limita la vida útil de los dispositivos.
Los investigadores de KAUST han ideado una nueva forma de construir LED monolíticos de luz blanca sin fósforo utilizando el nitruro de indio y galio (InGaN) como semiconductor y con puntos cuánticos integrados con emisiones azules y rojas. En particular, estos LEDs blancos monolíticos emiten en el rango de 410-770 nm y con temperaturas de color que van desde el blanco cálido, al blanco natural y al blanco frío.
El nitruro de galio-indio es un material semiconductor hecho de una mezcla de nitruro de galio (GaN) y nitruro de Indio (InN), que pertenece a los grupo de semiconductores III. El InGaN es el material utilizado para el desarrollo de los actuales LEDs de color azul y verde. Sin embargo, al ajustar la composición de la aleación de materiales de nitruro III, se pueden hacer que emitan a través de todo el espectro visible, lo que los convierten en excelentes candidatos para el desarrollo de LED blancos integrado monolíticamente con emisión policromática. El color de emisión del nitruro de indio y galio depende del contenido relativo de los átomos de indio y galio. Por ejemplo, el nitruro de galio emite luz ultravioleta, pero la adicción de indio desplaza la emisión al espectro visible y hacia el infrarrojo. La emisión se puede controlar aún más intercalando capas muy delgadas de nitruro de galio e indio con una composición entre ellas de diferente composición, creando los llamados puntos cuánticos.
Se han propuesto varios enfoques para producir LEDs blancos monolíticos y libres de fósforo basados en InGaN como múltiples pozos cuánticos con diferentes longitudes de onda de emisión, estructura de matriz de nanobastones, estructuras de puntos cuánticos, microestructuras estampadas y puntos cuánticos bombeados ópticamente. Sin embargo, estos métodos tienen limitaciones, como la necesidad de altas corrientes (>200 mA) para obtener una emisión de luz blanca, o la dificultad de inyección de agujeros en los pozos cuánticos a través de la dirección de crecimiento. Además, los LED blancos monolíticos típicos basados en InGaN carecen del componente de emisión roja, lo que hace que el índice de reproducción de color (IRC) sean insuficiente para la emisión blanca.
Los LED diseñados por el equipo de KAUST incluían pozos cuánticos emisores de luz azul con un contenido de un 20% de indio y un 34% de pozos cuánticos de rojo indio. Combinado, este LED monolítico emite luz en todo el espectro visible.
El resultado son unos LEDs blancos con puntos cuánticos monolíticamente integrados que emiten en el rango de los 410-770 nm, y ajustando la corriente de inyección, se pueden conseguir temperaturas de color desde el blanco cálido, al blanco natural y al blanco frío. En cuanto a la capacidad de reproducción de color estos LEDs alcanzan valores de IRC de 88 a una corriente de inyección de 10 mA. A una corriente de inyección de 30 mA, los LED blancos exhiben las coordenadas de cromaticidad de (0.320 y 0.334) en el diagrama de cromaticidad Commission Internationale de l’Eclairage 1931, un IRC de 78 y un CCT de 6.110 K.
“La diferencia de nuestro dispositivo es que utilizamos defectos de los materiales, o estructuras de pozo en V, para mejorar la inyección de la corriente en el semiconductor. El siguiente paso es mejorar la emisión del componente de emisión roja. La emisión roja es un factor clave de los LEDs con alto rendimiento de color con la emisión de blanco natural”, explica Daisuke Lida, de KAUST.
La estructura LED blanca se fabricó a través de un proceso simplificado sin fósforo qué no incluía nano ni microestructuras estampadas. La formación de grandes pozos en V en las capas de n-AlGaN contribuyen al transporte de portadores de puntos cuánticos azules y rojos.
Puede consultar los resultados de la investigación en el siguiente enlace:
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0026017
Créditos de imágenes: © 2020 KAUST
