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Historia del LED

La electroluminiscencia verde producida por un contacto puntual en un cristal de SiC recrea el experimento original de Round de 1907. La historia del diodo emisor de luz comienz...

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La electroluminiscencia verde producida por un contacto puntual en un cristal de SiC recrea el experimento original de Round de 1907.

La historia del diodo emisor de luz comienza con el descubrimiento en 1906 de la electroluminiscencia de un diodo de estado sólido por Henry Joseph Round . En 1927, el inventor ruso Oleg Losev creó el primer LED. El primer LED práctico fue desarrollado en 1961 por investigadores de Texas Instruments . En la década de 1970 aparecieron los primeros LED comerciales. A principios de la década de 1990, Shuji Nakamura , Hiroshi Amano e Isamu Akasaki inventaron LED azules que eran mucho más eficientes que sus predecesores, lo que dio paso a una nueva generación de iluminación blanca brillante y de bajo consumo, así como a pantallas LED a todo color, un trabajo que les valió el Premio Nobel de Física en 2014. [ 1 ] [ 2 ]

Primeros experimentos

Round, de los Laboratorios Marconi , realizó su descubrimiento en 1906 mientras utilizaba un detector de bigotes de gato [ 3 ] [ 4 ] y hacía pasar corriente a través de combinaciones de cristales de carburo de silicio (carborundo ). Observó que algunos emitían luz, el primer informe conocido del efecto del diodo emisor de luz ( LED ). [ 5 ] [ 6 ]

Round publicó su resultado en 1907 en Electrical World : [ 7 ]

A los editores de Electrical World:

SIRS: – Durante una investigación sobre el paso asimétrico de corriente a través de un contacto de carburo de silicio y otras sustancias, se observó un fenómeno curioso. Al aplicar un potencial de 10 voltios entre dos puntos de un cristal de carburo de silicio, el cristal emitía una luz amarillenta. Solo se encontraron uno o dos ejemplares que emitían un brillo intenso con un voltaje tan bajo, pero con 110 voltios, se observó que un gran número de cristales brillaban. En algunos cristales, solo los bordes emitían luz, y otros, en lugar de una luz amarilla, emitían luz verde, naranja o azul. En todos los casos analizados, el brillo parecía provenir del polo negativo, apareciendo una chispa azul verdosa brillante en el polo positivo. En un solo cristal, si el contacto se realiza cerca del centro con el polo negativo, y el polo positivo se coloca en cualquier otro punto, solo una sección del cristal brillará, y esa misma sección, independientemente de dónde se coloque el polo positivo.

Parece existir alguna relación entre el efecto mencionado y la fuerza electromotriz (FEM) generada por la unión de carburo de silicio con otro conductor al calentarse mediante corriente continua o alterna. Sin embargo, esta relación podría ser secundaria, ya que la explicación termoeléctrica es, sin duda, la más evidente para el efecto de la FEM. El autor agradecería cualquier referencia a publicaciones que investiguen este u otros fenómenos similares.

Nueva York, NY

Ronda HJ

En 1927 , el inventor ruso Oleg Losev creó un diodo emisor de luz (LED) [ 8 ] que también utilizaba carburo de silicio como semiconductor. A pesar de haber publicado su informe en revistas científicas soviéticas, alemanas y británicas, el LED de Losev no tuvo una aplicación práctica durante varias décadas, en parte debido a las propiedades de producción de luz muy ineficientes del semiconductor utilizado. [ 9 ] [ 10 ]

LED con encapsulado SMD (dispositivo de montaje superficial) 0603

En 1936, Georges Destriau observó que se podía producir electroluminiscencia al suspender polvo de sulfuro de zinc (ZnS) en un aislante y aplicarle un campo eléctrico alterno. En sus publicaciones, Destriau se refería a menudo a la luminiscencia como luz de Losev. Destriau trabajó en los laboratorios de Madame Marie Curie , también pionera en el campo de la luminiscencia con investigaciones sobre el radio . [ 11 ] [ 12 ]

El húngaro Zoltán Bay, junto con György Szigeti, patentaron en Hungría en 1939 un dispositivo de iluminación basado en carburo de silicio, con una opción de carburo de boro , que emitía luz blanca, blanco amarillenta o blanco verdosa dependiendo de las impurezas presentes. [ 13 ] Kurt Lehovec , Carl Accardo y Edward Jamgochian explicaron estos primeros LED en 1951 utilizando un aparato que empleaba cristales de SiC con una fuente de corriente de una batería o un generador de pulsos y con una comparación con un cristal puro variante en 1953. [ 14 ] [ 15 ]

Primer plano de un LED de potencia rojo de 1 vatio.

Rubin Braunstein [ 16 ] de la Radio Corporation of America informó sobre la emisión infrarroja del arseniuro de galio (GaAs) y otras aleaciones semiconductoras en 1955. [ 17 ] Braunstein observó la emisión infrarroja generada por estructuras de diodo simples que utilizaban antimoniuro de galio (GaSb), GaAs, fosfuro de indio (InP) y aleaciones de silicio-germanio (SiGe) a temperatura ambiente y a 77 K. En 1957, Braunstein demostró además que los dispositivos rudimentarios podían utilizarse para la comunicación no radioeléctrica a corta distancia. Como señala Kroemer [ 18 ], Braunstein «…había instalado un sencillo enlace de comunicaciones ópticas: la música que salía de un tocadiscos se utilizaba, mediante la electrónica adecuada, para modular la corriente directa de un diodo de GaAs. La luz emitida era detectada por un diodo de PbS situado a cierta distancia. Esta señal se introducía en un amplificador de audio y se reproducía mediante un altavoz. Al interceptar el haz, la música se detenía. Nos divertimos muchísimo experimentando con este sistema».

Un LED GaAs SNX-100 de Texas Instruments de 1962 alojado en una carcasa metálica para transistores TO-18.

En septiembre de 1961, mientras trabajaban en Texas Instruments en Dallas , Texas , James R. Biard y Gary Pittman descubrieron  la emisión de luz infrarroja cercana (900 nm) de un diodo túnel que habían construido sobre un sustrato de GaAs. [ 19 ] Para octubre de 1961, habían demostrado la emisión de luz eficiente y el acoplamiento de señal entre un emisor de luz de unión pn de GaAs y un fotodetector semiconductor eléctricamente aislado . [ 20 ] El 8 de agosto de 1962, Biard y Pittman presentaron una patente titulada "Diodo radiante semiconductor" basada en sus hallazgos, que describía un LED de unión p-n difundido en zinc con un contacto de cátodo espaciado para permitir la emisión eficiente de luz infrarroja bajo polarización directa .

Después de establecer la prioridad de su trabajo basándose en cuadernos de ingeniería anteriores a las solicitudes de GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs y Lincoln Lab en el MIT , la oficina de patentes de EE. UU. otorgó a los dos inventores la patente para el diodo emisor de luz infrarroja de GaAs (Patente de EE. UU. US3293513 ), el primer LED práctico. [ 19 ] Inmediatamente después de presentar la patente, Texas Instruments (TI) comenzó un proyecto para fabricar diodos infrarrojos. En octubre de 1962, TI anunció el primer producto LED comercial (el SNX-100), que empleaba un cristal de GaAs puro para emitir una  luz de 890 nm. [ 19 ] En octubre de 1963, TI anunció el primer LED hemisférico comercial, el SNX-110. [ 21 ]

En la década de 1960, varios laboratorios se centraron en los LED que emitían luz visible. Un dispositivo particularmente importante fue demostrado por Nick Holonyak el 9 de octubre de 1962, mientras trabajaba para General Electric en Syracuse, Nueva York . El dispositivo utilizaba la aleación semiconductora arseniuro de fosfuro de galio (GaAsP). Fue el primer láser semiconductor en emitir luz visible, aunque a bajas temperaturas. A temperatura ambiente, seguía funcionando como un diodo emisor de luz roja. El GaAsP fue la base de la primera generación de LED comerciales que emitían luz visible. Fue producido en masa por las empresas Monsanto y Hewlett-Packard y se utilizó ampliamente en pantallas de calculadoras y relojes de pulsera. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

LED rojo con encapsulado SMD (dispositivo de montaje superficial) 0603

M. George Craford , [ 25 ] un antiguo alumno de posgrado de Holonyak, inventó el primer LED amarillo y mejoró el brillo de los LED rojos y rojo-anaranjados en un factor de diez en 1972. [ 26 ] En 1976, TP Pearsall diseñó los primeros LED de alto brillo y alta eficiencia para telecomunicaciones por fibra óptica al inventar nuevos materiales semiconductores específicamente adaptados a las longitudes de onda de transmisión de fibra óptica. [ 27 ]

A principios de la década de 1990, Shuji Nakamura , Hiroshi Amano e Isamu Akasaki inventaron diodos emisores de luz azul que eran mucho más eficientes que sus predecesores, lo que permitió el uso práctico de una nueva generación de iluminación blanca brillante y de bajo consumo energético, así como de pantallas LED a todo color, y les valió el Premio Nobel de Física de 2014. [ 1 ] [ 2 ] A Shuji Nakamura se le atribuye la invención de los LED, y su investigación fue ampliada por Hiroshi Amano e Isamu Akasaki, quienes resolvieron dos de los tres problemas principales en la creación de LED azules.

Primer plano de un LED rojo
Primer plano de un LED verde basado en InGaN

Desarrollo comercial inicial

Pantalla LED de una calculadora científica TI-30 ( c. 1978 ), que utiliza lentes de plástico para aumentar el tamaño de los dígitos visibles.
Ocho pequeñas manchas rectangulares, que son los dígitos, conectadas por finos cables parecidos a cabellos a pistas a lo largo de una placa de circuito.
Radiografía de la pantalla de una calculadora LED de 8 dígitos de la década de 1970.

Hasta 1968, los LED visibles e infrarrojos eran extremadamente costosos, del orden de 200 dólares estadounidenses por unidad, por lo que tenían poca utilidad práctica. [ 28 ] Los primeros LED comerciales de longitud de onda visible utilizaban semiconductores de GaAsP y se usaban comúnmente como reemplazo de lámparas incandescentes y de neón , y en pantallas de siete segmentos , primero en equipos costosos como equipos de prueba de laboratorio y electrónicos, y luego en electrodomésticos como calculadoras, televisores, radios, teléfonos y relojes. [ 29 ]

La empresa Hewlett-Packard (HP) se dedicó a la investigación y el desarrollo (I+D) de LED prácticos entre 1962 y 1968, a través de un equipo de investigación dirigido por Howard C. Borden y Gerald P. Pighini en HP Associates y HP Labs . [ 30 ] Durante este tiempo, HP colaboró ​​con Monsanto Company en el desarrollo de los primeros productos LED utilizables. [ 31 ] Los primeros productos LED utilizables fueron la pantalla LED de HP y la lámpara indicadora LED de Monsanto , ambas lanzadas en 1968. [ 31 ]

Monsanto fue la primera organización en producir en masa LED visibles, utilizando fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) en 1968 para producir LED rojos adecuados para indicadores. [ 28 ] Monsanto había ofrecido previamente suministrar GaAsP a HP, pero HP decidió cultivar su propio GaAsP. [ 28 ] En febrero de 1969, Hewlett-Packard presentó el indicador numérico HP Modelo 5082-7000, el primer dispositivo LED en utilizar tecnología de circuito integrado ( circuito LED integrado ). [ 30 ] Fue la primera pantalla LED inteligente y representó una revolución en la tecnología de pantallas digitales , reemplazando el tubo Nixie y convirtiéndose en la base de las pantallas LED posteriores. [ 32 ]

En la década de 1970, Fairchild Optoelectronics produjo dispositivos LED de gran éxito comercial a menos de cinco centavos cada uno. Estos dispositivos empleaban chips semiconductores compuestos fabricados con el proceso planar (desarrollado por Jean Hoerni , [ 33 ] [ 34 ] ). La combinación del procesamiento planar para la fabricación de chips y los innovadores métodos de empaquetado permitió al equipo de Fairchild, liderado por el pionero de la optoelectrónica Thomas Brandt, lograr las reducciones de costos necesarias. [ 35 ] Los fabricantes de LED han continuado utilizando estos métodos hasta aproximadamente 2009. [ 36 ]

Los primeros LED rojos eran lo suficientemente brillantes para usarse como indicadores, pero su potencia lumínica no bastaba para iluminar un área. Las pantallas de las calculadoras eran tan pequeñas que se añadían lentes de plástico a cada dígito para que fueran legibles. Posteriormente, otros colores se popularizaron y aparecieron en electrodomésticos y equipos.

Los primeros LED se encapsulaban en carcasas metálicas similares a las de los transistores, con una ventana o lente de vidrio para permitir el paso de la luz. Los LED indicadores modernos se encapsulan en carcasas de plástico moldeado transparente, de forma tubular o rectangular, y a menudo se tiñen para que coincidan con el color del dispositivo. Los dispositivos infrarrojos pueden teñirse para bloquear la luz visible. Se han adaptado encapsulados más complejos para una disipación de calor eficiente en LED de alta potencia. Los LED de montaje superficial reducen aún más el tamaño del encapsulado. Los LED destinados a cables de fibra óptica pueden incluir un conector óptico.

LED azul

El primer LED azul -violeta, que utilizaba nitruro de galio dopado con magnesio , fue fabricado en la Universidad de Stanford en 1972 por Herb Maruska y Wally Rhines , estudiantes de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales. [ 37 ] [ 38 ] En ese momento, Maruska estaba de baja en los Laboratorios RCA , donde colaboraba con Jacques Pankove en trabajos relacionados. En 1971, un año después de que Maruska se marchara a Stanford, sus colegas de RCA, Pankove y Ed Miller, demostraron la primera electroluminiscencia azul del nitruro de galio dopado con zinc, aunque el dispositivo posterior que construyeron Pankove y Miller, el primer diodo emisor de luz de nitruro de galio propiamente dicho, emitía luz verde. [ 39 ] [ 40 ]

En 1974, la Oficina de Patentes de EE. UU. otorgó a Maruska, Rhines y al profesor de Stanford David Stevenson una patente por su trabajo de 1972 (Patente de EE. UU. US3819974 A ). Hoy en día, el dopaje con magnesio del nitruro de galio sigue siendo la base de todos los LED azules y diodos láser comerciales . A principios de la década de 1970, estos dispositivos eran demasiado tenues para un uso práctico, y la investigación sobre dispositivos de nitruro de galio se ralentizó.

En agosto de 1989, Cree presentó el primer LED azul disponible comercialmente, basado en el semiconductor de banda prohibida indirecta , carburo de silicio (SiC). [ 41 ] Los LED de SiC tenían una eficiencia muy baja, no superior a aproximadamente el 0,03 %, pero sí emitían en la porción azul del espectro de luz visible. [ 42 ] [ 43 ]

A finales de la década de 1980, avances clave en el crecimiento epitaxial de GaN y el dopaje de tipo p [ 44 ] dieron paso a la era moderna de los dispositivos optoelectrónicos basados ​​en GaN . Partiendo de esta base, Theodore Moustakas, de la Universidad de Boston, patentó en 1991 un método para producir LED azules de alto brillo mediante un nuevo proceso de dos etapas. [ 45 ] En 2015, un tribunal estadounidense dictaminó que tres empresas taiwanesas habían infringido la patente anterior de Moustakas y les ordenó pagar derechos de licencia por un monto no inferior a 13 millones de dólares estadounidenses. [ 46 ]

Dos años después, en 1993, Shuji Nakamura de Nichia Corporation demostró la fabricación de LED azules de alto brillo mediante un proceso de crecimiento de nitruro de galio (GaN). [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] Estos LED tenían una eficiencia del 10%. [ 50 ] Paralelamente, Isamu Akasaki y Hiroshi Amano de la Universidad de Nagoya trabajaban en el desarrollo de la importante deposición de GaN sobre sustratos de zafiro y en la demostración del dopaje de tipo p del GaN. Este nuevo desarrollo revolucionó la iluminación LED, haciendo prácticas las fuentes de luz azul de alta potencia y dando lugar al desarrollo de tecnologías como el Blu-ray . [ 51 ] [ 52 ]

Nakamura recibió el Premio de Tecnología del Milenio de 2006 por su invención. [ 53 ] Nakamura, Hiroshi Amano e Isamu Akasaki recibieron el Premio Nobel de Física en 2014 por "la invención de diodos emisores de luz azul eficientes, que han permitido fuentes de luz blanca brillantes y de bajo consumo energético". [ 2 ]

En 1995, Alberto Barbieri, del Laboratorio de la Universidad de Cardiff (Reino Unido), investigó la eficiencia y la fiabilidad de los LED de alto brillo y demostró un LED de "contacto transparente" que utilizaba óxido de indio y estaño (ITO) sobre (AlGaInP/GaAs).

En 2001 [ 54 ] y 2002, [ 55 ] se demostraron con éxito procesos para el crecimiento de LED de nitruro de galio (GaN) sobre silicio . En enero de 2012, Osram demostró comercialmente LED de InGaN de alta potencia cultivados sobre sustratos de silicio, [ 56 ] y los LED de GaN sobre silicio están en producción en Plessey Semiconductors . A partir de 2017, algunos fabricantes están utilizando SiC como sustrato para la producción de LED, ya que tiene un mejor ajuste de red y expansión térmica que el nitruro de galio, pero los sustratos de zafiro son más comunes por ser más baratos y transparentes. Samsung , la Universidad de Cambridge y Toshiba están realizando investigaciones sobre LED de GaN sobre Si.

Toshiba ha detenido la investigación, posiblemente debido a los bajos rendimientos. [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] Algunos optan por la epitaxia , que es difícil en silicio , mientras que otros, como la Universidad de Cambridge, eligen una estructura multicapa, para reducir el desajuste de la red (cristalina) y las diferentes relaciones de expansión térmica, para evitar el agrietamiento del chip LED a altas temperaturas (por ejemplo, durante la fabricación), reducir la generación de calor y aumentar la eficiencia luminosa. El patrón del sustrato de zafiro se puede llevar a cabo con litografía de nanoimpresión . [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]

La tecnología GaN-on-Si es compleja pero deseable, ya que aprovecha la infraestructura de fabricación de semiconductores existente. Permite el empaquetado de chips LED a nivel de oblea, lo que da como resultado paquetes LED extremadamente pequeños. [ 71 ]

El GaN se deposita a menudo mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánico (MOCVD), [ 72 ] y también utiliza el levantamiento .

Los LED blancos y el avance en iluminación

Aunque se puede crear luz blanca utilizando LED rojos, verdes y azules individuales, esto resulta en una reproducción cromática deficiente , ya que solo se emiten tres bandas estrechas de longitudes de onda de luz. El logro de LED azules de alta eficiencia fue seguido rápidamente por el desarrollo del primer LED blanco. En este dispositivo, un Y3 Al5 O12 :Ce (conocido como "YAG" o fósforo Ce:YAG)de fósforodopadocon cerioproduce luz amarilla mediantefluorescencia. La combinación de esa luz amarilla con la luz azul restante se percibe como blanca. El uso de diferentes fósforos produce luz verde y roja mediante fluorescencia. La mezcla resultante de rojo, verde y azul se percibe como luz blanca, con una reproducción cromática mejorada en comparación con las longitudes de onda de la combinación de fósforo LED azul/YAG. [ 73 ]

Ilustración de la ley de Haitz , que muestra la mejora en la emisión de luz por LED a lo largo del tiempo, con una escala logarítmica en el eje vertical.

Los primeros LED blancos eran caros e ineficientes. Posteriormente, la emisión de luz aumentó exponencialmente . La investigación y el desarrollo más recientes han sido impulsados ​​por fabricantes japoneses como Panasonic y Nichia , y por fabricantes coreanos y chinos como Samsung , Solstice, Kingsun, Hoyol y otros. Esta tendencia al aumento de la emisión de luz se conoce como la ley de Haitz, en honor a Roland Haitz. [ 74 ] [ 75 ]

La emisión de luz y la eficiencia de los LED azules y casi ultravioleta aumentaron, y el costo de los dispositivos confiables disminuyó. Esto propició el uso de LED de luz blanca de potencia relativamente alta para iluminación, que están reemplazando a las luces incandescentes y fluorescentes. [ 76 ] [ 77 ]

En 2014 se demostró que los LED blancos experimentales producían 303 lúmenes por vatio de electricidad (lm/W); algunos pueden durar hasta 100.000 horas. [ 78 ] [ 79 ] Los LED disponibles comercialmente tienen una eficiencia de hasta 223 lm/W a partir de 2018. [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ] Un récord anterior de 135 lm/W fue alcanzado por Nichia en 2010. [ 83 ] En comparación con las bombillas incandescentes, esto representa un enorme aumento en la eficiencia eléctrica (no se logra en climas fríos cuando se utiliza calefacción eléctrica que no sea mediante bombas de calor , que luego se activan para compensar el calor que ya no producen las bombillas incandescentes). Aunque los LED son más caros de comprar, el costo total durante su vida útil es significativamente más barato que el de las bombillas incandescentes, especialmente dada su mayor vida útil. [ 84 ]

El chip LED está encapsulado dentro de un pequeño molde blanco de plástico [ 85 ] [ 86 ] aunque a veces un paquete LED puede incorporar un reflector. [ 87 ] Puede encapsularse usando resina ( a base de poliuretano ), silicona, [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] o epoxi [ 91 ] que contiene partículas de fósforo YAG dopado con cerio (en polvo). [ 92 ] La viscosidad de las mezclas de fósforo-silicio debe controlarse cuidadosamente. [ 92 ] Después de aplicar una mezcla de fósforo-silicio en el LED usando técnicas como dispensación por chorro, [ 93 ] y dejar que los disolventes se evaporen, los LED a menudo se prueban y se colocan en cintas para equipos de colocación SMT para su uso en la producción de bombillas LED. Algunas bombillas LED de "fósforo remoto" utilizan una sola cubierta de plástico con fósforo YAG para uno [ 94 ] o varios LED azules, en lugar de utilizar recubrimientos de fósforo en LED blancos de un solo chip. [ 95 ] Los fósforos Ce:YAG y el epoxi en los LED [ 96 ] pueden degradarse con el uso, y es más evidente con concentraciones más altas de Ce:YAG en mezclas de fósforo y silicona, porque el Ce:YAG se descompone con el uso. [ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]

La salida de los LED puede cambiar a amarillo con el tiempo debido a la degradación de la silicona. [ 89 ] Hay varias variantes de Ce:YAG, y los fabricantes en muchos casos no revelan la composición exacta de sus ofertas de Ce:YAG. [ 100 ] Hay varios otros fósforos disponibles para LED convertidos de fósforo para producir varios colores como el rojo, que utiliza fósforos de nitrosilicato, [ 101 ] [ 102 ] y existen muchos otros tipos de materiales de fósforo para LED, como fósforos basados ​​en óxidos, oxinitruros, oxihaluros, haluros, nitruros, sulfuros, puntos cuánticos y semiconductores híbridos inorgánicos-orgánicos. Un solo LED puede tener varios fósforos al mismo tiempo. [ 93 ] [ 103 ] Algunos LED utilizan fósforos hechos de materiales vitrocerámicos o compuestos de fósforo/vidrio. [ 104 ] [ 105 ] Alternativamente, los propios chips LED pueden recubrirse con una fina capa de material que contiene fósforo, denominada recubrimiento conforme. [ 106 ] [ 107 ]

La temperatura del fósforo durante el funcionamiento y su aplicación limitan el tamaño de un chip LED. Los LED blancos encapsulados a nivel de oblea permiten la fabricación de LED extremadamente pequeños. [ 71 ]

Policromo

En 2024, se presentó QPixel, un LED policromático que podría reemplazar el modelo de 3 subpíxeles para pantallas digitales. Esta tecnología utiliza un semiconductor de nitruro de galio que emite luz de diferentes frecuencias moduladas por cambios de voltaje. Un prototipo de pantalla alcanzó una resolución de 6800 PPI o 3k x 1,5k píxeles. [ 108 ]

Referencias

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