Esta segunda parte de la serie,  trata sobre colores y cristales. Vamos a averiguar cómo los LEDs crean ciertos colores, lo que entra en la creación de los cristales, y aprender todo sobre GaN-on-GaN

 

Aurelien David, Científico jefe de Soraa nos sigue hablando sobre su trabajo y tecnología LED. En esta ocasión, profundiza sobre la creación de los cristales LED, la aplicación del GaN sobre sustrato y el compromiso entre la generación de luz brillante y reproducción de blancos y colores cálidos.

 

¿puede explicar cómo los LEDs usan cristales? ¿Cuál es el proceso detrás de crearlos?

Cuando oyen cristal, la mayoría de la gente puede pensar en diamantes brillantes. En realidad, muchos de los materiales que nos rodean son cristales – que incluye sustancias comunes como la sal, y también todos los semiconductores. Un cristal es simplemente un sólido donde los átomos están perfectamente organizados. Por ejemplo, en un cristal metálico de hierro, todos los átomos de hierro están perfectamente empacados uno al lado del otro a una distancia fija (un poco como los huevos en una caja de huevos, pero en tres dimensiones). Y en un cristal semiconductor de GaN, los átomos de galio y nitrógeno se colocan igualmente en sucesión, de manera periódica.

Sin embargo, los cristales del mundo real nunca son absolutamente perfectos. A veces un átomo de aquí o de allá está ausente o extraviado – o un átomo de un tipo diferente encontró su camino dentro del cristal. Llamamos a tales eventos “defectos” en el cristal. En un LED, la mayoría de los defectos son malos, porque pueden dañar el proceso de emisión de luz, haciendo el LED menos eficiente. También pueden hacer que un LED sea menos fiable. Por lo tanto, nos esforzamos por hacer cristales casi perfectos, con el mayor número posible de defectos.

Ahora, hablemos de cómo se fabrican estos cristales semiconductores. Partimos de una materia prima, que se llama sustrato, y que recibirá las capas de cristal. Insertamos el sustrato en un equipo de alta gama, llamado reactor. Dentro del reactor, circulamos una variedad de gases a alta temperatura. Estos gases se someten a reacciones químicas en la superficie del sustrato, y consecuentemente algunos átomos de los gases se adhieren a la superficie. En nuestro caso, estos átomos son de galio y nitrógeno, y forman un cristal GaN en la parte superior del sustrato. El cristal de GaN es muy delgado: unos pocos micrones, o una décima parte del grosor de un cabello. Está formado por varias capas de GaN con diferentes propiedades (algunas tan delgadas como algunos átomos!), y  esa pila completa constituye el LED.

Una vez que el cristal se forma en la parte superior del sustrato, colocamos pequeños contactos metálicos en él y fraccionamos el cristal en pequeños chips, cada una de los cuales se convierte en un LED individual.

Ah, eso es lo que es GaN. ¿Qué es GaN-on-GaN entonces? ¿Cómo afecta a un LED?

Esto nos lleva de vuelta al sustrato. Durante muchos años, la gente ha utilizado una variedad de materiales como sustratos para GaN (zafiro, carburo de silicio…). Sin embargo, estos sustratos no eran perfectamente adecuados para recibir un cristal de GaN. Imagine que tiene una capa densamente llena de canicas pequeñas — ese es su sustrato — y está tratando de encajar encima de ellas otra capa densamente llena de canicas más grandes (su capa GaN): no todas las canicas en la parte superior va a encajar bien, y algunas canicas aquí y allá  estarán fuera de lugar o se perderán. Del mismo modo, al cultivar GaN en estos sustratos, los átomos Ga y N no ajustan perfectamente y esto crea muchos defectos cristalinos. La industria del LED ha aprendido varios trucos para reducir estos defectos, pero siguen siendo problemáticos.

GaN-on-GaN es una tecnología desarrollada por Soraa que básicamente resuelve este problema: usamos GaN como  Sustrato y formamos las capas del LED de GaN sobre este substrato de GaN. Puesto que las capas del substrato y del LED se hacen del mismo material, todos los átomos alinean perfectamente y hay menos defectos que en los cristales estándar de GaN (cerca de mil veces menos).

La reducción de los defectos hace que los LEDs mejoren en términos de rendimiento y fiabilidad. Esto permite a Soraa hacer chips LED muy pequeños y conducirlos muy duro (es decir, con una gran cantidad de corriente eléctrica). Al final del día, un chip LED  de Soraa emite tantas veces como un chip LED estándar pero sigue siendo cinco veces más pequeño. Estos pequeños LEDs son muy útiles para el diseño de productos de iluminación.

¿puede explicar lo que pasa en la creación de colores en un LED?

La mayoría de los LEDs crean hoy un espectro combinando la luz directa generada por el chip LED y la luz “convertida” por los fósforos. Como recordatorio, los fósforos absorben parte de la luz de la bomba y vuelven a emitir luz en diferentes longitudes de onda. Diferentes fósforos (que tienen diferentes estructuras químicas) emiten en varias longitudes de onda. Pueden ser pensados como pinceles de varios colores, que se combinan para componer el espectro de la luz. Combinando un chip LED y varios fósforos de longitudes de onda deseadas en las cantidades correctas, podemos moldear el espectro como queramos. La forma del espectro determina  cómo se renderizan los colores.

¿puedes hablar de las dificultades para dar colores cálidos y luz blanca?

Hay dos categorías de colores que destacan en términos de renderización: colores cálidos y blancos.

Los colores cálidos, como los tonos naranja, rosado, rojo y el tono de la piel, requieren un espectro con suficiente radiación de longitud de onda larga para que sean debidamente reproducidos. Con el fósforo correcto, es posible emitir tal radiación. Sin embargo, nuestra visión no es muy sensible a esta radiación de larga longitud de onda: tiene un gran impacto en los colores cálidos, pero no “se siente brillante.” Por lo tanto, nos enfrentamos a un intercambio cuando se trata de decidir cuánta radiación de longitud de onda larga debe ir en un espectro de luz: ¿queremos luz más brillante, o luz con colores más ricos?

El blanco puede sonar como el más simple de los colores – o incluso ningún color en absoluto! Pero de hecho, hay varios matices de blanco en los objetos que nos rodean; Y muchos de éstos son blancos muy brillantes y nítidos (tales como los que vemos en el papel blanco, telas, plásticos etc.). Todos estos colores blancos brillantes se obtienen agregando un tipo especial de moléculas, llamadas “agentes blanqueadores”, a los objetos. Estos agentes que blanquean absorben la radiación de la longitud de onda corta (ULTRAVIOLETA y violeta) emitidas por las fuentes de  luz natural y la vuelven a emitir como luz azul; Nuestros sistemas de visión perciben este efecto como un agradable efecto “más blanco que blanco”. Desafortunadamente, con la mayoría de las fuentes del LED, este efecto se pierde; Esto se debe a que estos LEDs no emiten ninguna radiación de longitud de onda corta y no pueden excitar a estos agentes blanqueadores. El resultado es que muchos objetos blancos se ven sombríos bajo las luces LED. Afortunadamente, soraa está brindando una solución a este problema: emitiendo una cantidad bien escogida de luz violeta (¡y ninguna radiación UV dañina!), podemos reproducir los blancos naturalmente y restaurar su brillo.

No todo el mundo cree que la prestación de colores cálidos y blancos vale la pena el esfuerzo, y por lo tanto el equilibrio entre la calidad y la cantidad de luz conduce a acalorados debates. He aquí un poco de perspectiva sobre esto: el sistema de visión humana tiende a ser bastante indulgente con respecto a los niveles de luz, pero muy bueno para percibir las diferencias de color. Desde un punto de vista evolutivo, todo esto tiene sentido: hemos aprendido a adaptarnos a grandes variaciones en los niveles de luz durante todo el día, mientras que los colores son un código crucial en la naturaleza para identificar los objetos. Y, curiosamente, los colores cálidos y los blancos también resultan ser las dos familias de color que la gente tiende a preocuparse más. Esto fue confirmado en varios estudios, incluyendo uno organizado por soraa y la Universidad del estado de Penn. Basándose en tal consideración, la posición de soraa es que una buena representación de color es crucial y por lo general, no debe verse comprometida.

 

Aurelien David, Chief Scientist SORAA

Después de trabajar con los Laboratorios Avanzados de Lumileds para estudiar la eficiencia de los LEDS basados en GaN, Aurelien David se unió a Soraa como Chief Scientist para trabajar en más avances importantes en la investigación del LED. Desde que se unió en 2010, Aurelien ha aportado su experiencia en física de semiconductores y ciencia del color para ayudar a lograr importantes avances en la tecnología central de Soraa y su enfoque de calidad de la luz. Aurelien tiene un doctorado en Física Aplicada de la Universidad de California, Santa Bárbara, así como un doctorado y una maestría en Física de Ecole Polytechnique, Palaiseau, Francia.

Artículo e imágen propiedad de Soraa, enlace al original

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