Por que Prêmio Nobel para o LED azul

Por Felipe Rudge

Tal como a estória do patinho feio que depois vira um cisne negro, teve o Led similar trajetória e hoje (afinal) leva o prêmio máximo de Ciência e Tecnologia. Queremos aqui apresentar brevemente, com ênfase tecno-cientifica, o que aconteceu nessas décadas, e por que só agora veio o prêmio. Aliás, é interessante observar que os que o receberam não foram luminares que descortinaram novos rumos da Ciência e do conhecimento. Foram apenas (!) pessoas altamente qualificadas que estavam na hora certa, e no lugar certo, e foram capazes de fazer o que precisava ser feito. Na verdade, descobriram soluções específicas para tirar uma pedra que já estava havia décadas no sapato de todos que trabalhavam com emissores de luz.

A geração de luz “fria” em junções de semicondutores já é conhecida (e reportada) há mais de 100 anos [Oleg Basov, usando limitadores de corrente de SiC, 1907, observou luminescência em correntes “baixas”, isto é, o material permanecia “morno” de modo que não era emissão térmica (incandescência)]. Entretanto, seu uso efetivo como dispositivo optoleletrônico – como diodo emissor de luz – só ocorreu na esteira da busca de lasers semicondutores, acompanhando a febre que havia de produzir efeito laser em qualquer material sólido, líquido e gasoso após a demonstração pioneira de Ted Maiman, em 1960, com cristal de rubi, na Hughes (mas isso é uma outra história…); logo em 1962, o laser semicondutor em GaAs, emitindo no IV próximo (~800nm) inaugurou a nova era da optoeletrônica, e não recebeu nenhum prêmio relevante. No mesmo ano estava sendo também demonstrado o LED de heterojunção simples, emitindo no vermelho (780nm), nos laboratórios da GE, por Nick Holonyak (também sem prêmio) e que encontrou grande aplicação em painéis de equipamentos apenas como sinalização, devido à sua baixa potência, a partir de meados dos anos 1960. O grande advento dos lasers semicondutores que funcionavam à temperatura ambiente (1970) e sua fantástica aplicação em telecomunicações, em conjunto com fibras óticas, deram aos LEDs um grande impulso, pois eles partilhavam dos mesmos materiais e processos de fabricação. E aí, no início dos anos 80, os LEDs tinham mais confiabilidade que os lasers, e começavam a ter potências que, se não permitiam iluminação, certamente já começavam a permitir efeitos ambientais e aplicações a distâncias de dezenas de metros. Tinha-se nessa época LED IR (infravermelho), vermelho, laranja, amarelo, e começavam a aparecer os “verdes” – na verdade citrino. Mas nada de azul, e sem azul não há como chegar à luz “branca”. Na verdade já se tinha estudos experimentais com material GaN (basicamente o mesmo utilizado agora), mas não se tinha as combinações de materiais para obter potência e confiabilidade necessárias.

O problema não era tanto as heterojunções necessárias para emissão eficiente, mas sim a disponibilidade de substrato compatível e confiável, que permitisse operação estável com altas densidades de corrente. Aliás, buscava-se também na mesma época (final da década de 80) o laser semicondutor verde-azul, para completar o lado “esquerdo” (Fig.1) do espectro visível. De novo, o LED e o laser caminhando juntos.

Finalmente, no início dos anos 1990, foi desvendado o caminho científico-tecnológico que permitiu a pletora de dispositivos que se tem hoje, com LEDs de altíssima potência – suficiente para dar cegueira temporária numa olhada direta – com aplicação em interiores, exteriores, painéis multimídia, e até iluminação pública, incluindo estádios e shows de rock!

O grande salto tecnológico foi conseguir crescer as camadas confinantes e ativa – heteroestruturas em nitreto de gálio (GaN), nitreto de índio gálio (InGaN) e nitreto de gálio alumínio (InAlN), sobre uma camada buffer de nitreto de alumínio, a qual está sobre o substrato de safira. Esta combinação permitiu estabilidade termo-mecânica e ótima dissipação térmica, com baixo estresse devido a tensões de casamento cristalino com as camadas superiores (Fig.2). Assim foi possível superar os defeitos de interfaces e outros problemas que permaneciam considerados “insolúveis”. E o merecido prêmio vem porque fechou-se o ciclo completo de equacionamento teórico, análise das imperfeições a partir de conceitos fundamentais, protótipos experimentais bem-sucedidos, permitindo chegar à produção industrial (os primeiros LEDs azuis foram disponibilizados pela Nishia, em 1994). Com a cadeia produtiva estabelecida, pode-se chegar ao benefício à sociedade, e mais ainda, sendo os LEDs dispositivos de altíssima eficiência de conversão eletro-ótica, muito mais eficiente do que qualquer outra fonte de luz (inclusive o laser!), permitiu sistemas de iluminação muitíssimo mais econômicos que qualquer dos anteriores, tendo então grande impacto (positivo!) na conservação energética do planeta. Vieram não só para ficar como estão substituindo todas as outras fontes de iluminação. A produção mundial de LEDs há algum tempo já superou a produção de lâmpadas. A discussão da efetiva ocupação do mercado – e os preços praticados – foge ao escopo deste texto. O fato é que temos finalmente a luz branca de estado sólido (SSL) obtida de maneira relativamente simples (!), confiável, reprodutível e durável – um LED azul com uma cobertura vítrea de fósforo amarelo (não elemento P, e sim phosphor – para mais detalhes, consulte a Wikipedia), que dá o branco ajustável, pois tanto o LED azul, como a cobertura conversora podem ser sintonizados, conforme a Fig.3, para se conseguir branco mais quente ou mais frio. Os LEDs RGB (red-green-blue) são utilizados em grandes painéis multimídia, e em aplicações onde efeitos com cores são necessários, variando-se as correntes (e consequentemente as intensidades) relativas de cada elemento R, G, B. As aplicações de iluminação são todas com o LED azul e fosforo amarelo. Isso pode ser verificado em todas as lanterninhas chinesas à venda na lojinha da esquina (ou no camelô em frente!).

Concluindo, lançamos a ideia que o próximo Prêmio Nobel (nessa área) poderá ser pela descoberta os materiais que preenchem o “Lemon-Gap”. Algum candidato?

Dr. Felipe Rudge
Lab. Tecnologia Fotônica
FEEC-Unicamp
Campinas, SP Brasil
http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge/

Figura 1 – materiais e espectro de emissão visível. [1,2]
Figura 2 – estrutura de laser e Led MQW com emissão verde-azul. [3]
Figura 3 – mapa de cromatografia CIE 1931 [4]