Investigadores de la Alianza Singapur-MIT para la investigación y la tecnología (SMART, por sus siglas en inglés) ha descubierto un nuevo método para generar luz de larga longitud de onda, es decir, roja, naranja y amarilla, mediante el uso de defectos intrínsecos en materiales semiconductores, con posibles aplicaciones directas para la fabricación de LEDs de nitruro de galio.
En concreto, se trata de un nuevo método práctico para fabricar puntos cuánticos de InGaN con una concentración de indio significativamente mayor aprovechando los defectos preexistentes en los materiales de InGaN. Esta tecnología sería una importante mejora con respecto a los medios actuales que utilizan fósforo, para convertir el color, consiguiendo superar la reducida eficiencia del InGaN a la hora de producir luz roja, naranja y amarilla.
Los diodos emisores de luz (LED) de InGaN han revolucionado el campo de la iluminación en estado sólido debido a su alta eficiencia, durabilidad, y bajos costes. El color de emisión del LED se puede cambiar variando la concentración de indio en el compuesto de InGaN con cantidades de indio relativamente bajas en comparación con el galio, para obtener LEDs azules, verdes y cian. Así, tradicionalmente, el material InGaN se ha utilizado en los LED modernos para generar luz púrpura y azul, mientras que el fosfuro de aluminio y galio (AlGaInP) -un tipo diferente de semiconductor- se utiliza para generar luz roja, naranja y amarilla. Esto se debe a que el InGaN tiene un bajo rendimiento en el espectro rojo y ámbar debido a la reducción de la eficiencia como resultado de los mayores niveles de indio requeridos.
Además, estos LEDs de InGaN con concentraciones de indio considerablemente altas siguen siendo difíciles de fabricar utilizando estructuras de semiconductores convencionales. Por ello, la realización de dispositivos emisores de luz blanca de estado sólido -que requieren los tres colores primarios de la luz- sigue siendo un objetivo inalcanzable.
La nueva investigación liderada por SMART, recientemente publicada en ACS Photonics, en un paper que lleva como título “Light-Emitting V-Pits: An Alternative Approach toward Luminescent Indium-Rich InGaN Quantum Dots”, describe un nuevo método práctico para fabricar puntos cuánticos de InGaN con una concentración de indio significativamente mayor aprovechando los defectos preexistentes en los materiales de InGaN.
En este proceso, la coalescencia de las llamadas V-pits, resultantes de dislocaciones naturales en el material, forma directamente puntos cuánticos ricos en indio, pequeñas islas de material que emiten luz de mayor longitud de onda. Al cultivar estas estructuras en sustratos de silicio convencionales, se elimina aún más la necesidad de realizar patrones o sustratos no convencionales. Los investigadores también llevaron a cabo un mapeo composicional de alta resolución espacial de los puntos cuánticos de InGaN, proporcionando la primera confirmación visual de su morfología.
Además de la formación de puntos cuánticos, la nucleación de fallas de apilamiento -otro defecto intrínseco del cristal- contribuye a las emisiones de mayor longitud de onda.
“Durante años, los investigadores en este campo han intentado abordar los diversos desafíos que presentan los defectos inherentes en las estructuras de pozos cuánticos de InGaN. En un enfoque novedoso, hemos diseñado un defecto de nanopit para conseguir una plataforma de crecimiento directo de puntos cuánticos de InGaN. Como resultado, nuestro trabajo demuestra la viabilidad de utilizar sustratos de silicio para las nuevas estructuras ricas en indio, que además de abordar los retos actuales en las bajas eficiencias de los emisores de luz de InGaN de gran longitud de onda, también alivian el problema de los sustratos caros”, explica Jing-Yang Chung, estudiante de posgrado de SMART y autor principal del artículo.
De este modo, el descubrimiento de SMART representa un importante paso adelante para superar la reducida eficiencia del InGaN a la hora de producir luz roja, naranja y amarilla. A su vez, este trabajo podría ser decisivo para el futuro desarrollo de matrices de micro LEDs compuestas por un único material.
“Nuestro descubrimiento también tiene implicaciones para el medio ambiente. Por ejemplo, este avance podría conducir a una eliminación más rápida de las fuentes de iluminación que no son de estado sólido -como las bombillas incandescentes- e incluso de los actuales LED azules de InGaN recubiertos de fósforo con una solución de mezcla de colores totalmente de estado sólido, lo que a su vez conduciría a una reducción significativa del consumo mundial de energía”, detalla la Dra. Silvija Gradečak, coautora e investigadora principal del LEES.
La investigación ha sido llevada a cabo por SMART y apoyada por la Fundación Nacional de Investigación (NRF) Singapur en el marco de su programa Campus de Excelencia en Investigación y Empresa Tecnológica (CREATE). Para este artículo, las estructuras LED se cultivaron utilizando las instalaciones y conocimientos únicos de SMART, los estudios estructurales se llevaron a cabo en la Universidad Nacional de Singapur (NUS) utilizando microscopios electrónicos de última generación resueltos atómicamente, mientras que los estudios ópticos a nanoescala se llevaron a cabo en el MIT y la Universidad de Tecnología de Nanyang (NTU). .
“Nuestro trabajo también podría tener implicaciones más amplias para la industria de los semiconductores y la electrónica, ya que el nuevo método descrito aquí sigue los procedimientos de fabricación estándar de la industria y puede ser ampliamente adoptado e implementado a escala. A un nivel más macro, aparte de los potenciales beneficios ecológicos que podrían derivarse del ahorro de energía impulsado por el InGaN, nuestro descubrimiento también contribuirá a la investigación y el desarrollo continuos de nuevas estructuras eficientes de InGaN”, concluye el director general de SMART, Eugene Fitzgerald.
Créditos de imágenes: SMART
