Después de que en el año 1962, Nick Holonyak, dio a luz el primer diodo emisor de luz (LED) que emitía luz roja, se iniciaron los primeros pasos de una nueva era de la iluminación artificial. Posteriormente, la llegada de los LED de luz azul de alta potencia a principio de las década de los 90s, propició el desarrollo de la tecnología hasta el estadio actual, revolucionando la forma en la que iluminamos nuestras ciudades y espacios.
Sin embargo, todavía hay un reto en el desarrollo de la tecnología LED que no se ha conseguido superar: el desarrollo de LED Verdes de alta potencia y alta eficiencia, para conseguir verdaderos productos LED de luz blanca, a través de la mezcla de un led rojo, azul y verde.
Esta limitación en el desarrollo de LED verdes, conocido como el ‘Green Gap’, es un fenómeno de caída de eficiencia, estudiado desde hace mucho tiempo, que ha hecho imposible fabricar LED verdes que funcionen bien a altas densidades de corriente. No hay problema en hacer LED verdes que funcionen a bajas densidades de corriente, pero a medida que aumenta esta densidad, su rendimiento empeora cada vez más. Actualmente los LEDs verdes son cuatro veces menos eficientes que sus homólogos azules.
Una nueva investigación liderada por el Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holonyak (HMNTL) de la Universidad de Illinois, no solo ha logrado arrojar luz sobre las causas de la caída de eficiencia, sino que han descubierto una nueva poderosa forma de evitarlo: el uso de estructuras cristalinas de fase cúbica, en lugar de las tradicionales de fase hexagonal.
¿Solución al Green Gap?
Los investigadores han considerado durante mucho tiempo que un fenómeno denominado como “Recombinación de Auger” es el principal responsable de la caída de la eficiencia, pero las cifras nunca han cuadrado del todo.
“Los estudios anteriores ignoraban la asimetría del electrón-hueco en los procesos, lo que conducía a una interpretación errónea de los límites fundamentales los LED basados en InGaN”, explica Can Bayran, profesor residente del Laboratorio de Micro y Nanotecnología Nick Holonyak.
El equipo del HMNTL descubrió la importancia de la asimetría del electrón-hueco a través de una herramienta de simulación que desarrollaron, el denominado como el Open Boundary Quantum LED Simulator, que piensan poner a disposición de otros.
Pero no se detuvieron ahí: también descubrieron que la polarización interna de un semiconductor de nitruro tiene un gran impacto en las recombinaciones Auger, ya que esta propiedad interna del cristal modifica la forma en la que se comportan los electrones, en comparación con su comportamiento en materiales no polarizados. Los cristales hexagonales utilizados tradicionalmente en los LED azules y verdes presentan una polarización interna, mientras que los cúbicos no.
“La idea es que cuando la estructura del cristal es más simétrica, no hay caída de eficiencia. Esto no es realmente sorprendente, porque el LED rojo inventado por Holonyak es cúbico, por lo que no tiene caída de eficiencia. Y ahora sabemos que si podemos hacer un LED azul o verde con un GaN cúbico, en lugar de un GaN hexagonal, tampoco tendremos droop. Y resolveremos el Green Gap”, afirma Bayram.
Nueva era de la iluminación
La implicaciones de este hallazgo podrían ser enormes, “ya que abre la posibilidad de la fabricación de los deseados LEDs de luz blanca verdadera, ofreciendo el triple de eficiencia lumínica que los actuales LED. Las actuales bombillas LED disponibles en el mercado sólo producen luz azul, que parece blanca sólo gracias a un recubrimiento de fósforo en la bombilla”, señalan los investigadores.
Hoy en día, los diodos LEDs de luz blanda pueden alcanzar aproximadamente los 200 lm/W sin dejar de generar más calor que luz. Según la hoja de ruta tradicional de la iluminación de estado sólido, estos LEDs convertidos con fósforo tienen un límite teórico de eficacia luminosa de 255 lm/W. “Una nueva hoja de ruta de la iluminación en estado sólido para lograr una eficacia luminosa máxima de 414 lm/W solo puede tener éxito a través de LEDs de emisión directa sin fósforo de mezcla de colores”, afirman los investigadores en la introducción al paper donde mostraron sus resultados.
Ahora, el equipo se están centrando en averiguar cómo sintetizar el material de fase cúbica necesario, ya que nadie ha sintetizado nunca LEDs de nitruro, material de nitruro, en forma cúbica.
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