Shūji Nakamura (中村 修二, Nakamura Shūji; nacido el 22 de mayo de 1954) es un ingeniero electrónico, científico de materiales e inventor de origen japonés, nacionalizado estadounidense. Es conocido principalmente por sus contribuciones decisivas al desarrollo de los diodos emisores de luz (LED) azules de alta eficiencia basados en nitruro de galio (GaN) y nitruro de indio y galio (InGaN), así como por sus investigaciones sobre láseres semiconductores de corta longitud de onda.
En 2014 recibió el Premio Nobel de Física, compartido con Isamu Akasaki y Hiroshi Amano, «por la invención de eficientes diodos de emisión de luz azules, que han hecho posibles las fuentes de luz blanca brillantes y de bajo consumo».
Nakamura es profesor de Materiales e Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), donde dirige la investigación del Solid State Lighting & Energy Electronics Center.
Biografía
Infancia y formación
Nakamura nació el 22 de mayo de 1954 en Ehime, en la isla de Shikoku, Japón. El premio Nobel sitúa su nacimiento en Oku, una pequeña localidad pesquera de la costa del Pacífico de Shikoku. La localidad pertenecía al antiguo municipio de Seto; posteriormente, Seto pasó a formar parte del actual municipio de Ikata.
Estudió Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Tokushima, donde obtuvo el título de grado en 1977 y el de maestría en 1979. En 1994 obtuvo en la misma universidad el doctorado en Ingeniería Eléctrica, mediante una tesis doctoral basada en publicaciones científicas.
Trabajo en Nichia
Después de obtener la maestría, Nakamura ingresó en abril de 1979 en la empresa japonesa Nichia Chemical Industries Ltd. —actualmente Nichia Corporation—, con sede en Tokushima. En aquel momento Nichia era una empresa relativamente pequeña dedicada principalmente a la fabricación de materiales luminiscentes para tubos de televisión en color y lámparas fluorescentes.
Inicialmente trabajó en el desarrollo y purificación de materiales basados en galio y posteriormente investigó semiconductores como el fosfuro de galio (GaP). La empresa le encargó desarrollar nuevos productos y le proporcionó recursos considerables para construir instalaciones y equipos destinados al crecimiento de cristales semiconductores.
Uno de los problemas tecnológicos fundamentales era dominar la técnica denominada deposición química de vapor metalorgánica (MOCVD, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), utilizada para fabricar capas cristalinas de alta calidad necesarias en dispositivos semiconductores.
Estancia en Estados Unidos y aprendizaje de MOCVD
En 1988, mientras trabajaba en Nichia, Nakamura fue enviado durante aproximadamente un año a la Universidad de Florida, en Gainesville, Florida, Estados Unidos, como investigador visitante asociado (guest research associate).
La estancia estuvo relacionada con el aprendizaje de la técnica MOCVD. El profesor Shiro Sakai, especialista en esta tecnología y antiguo conocido de Nakamura de la Universidad de Tokushima, se encontraba realizando una estancia académica en la Universidad de Florida. Sakai recomendó que Nichia enviara a Nakamura a Estados Unidos durante un año para aprender la técnica.
Una característica especialmente importante de aquella estancia fue que el sistema MOCVD del laboratorio todavía tenía que ser ensamblado y puesto en funcionamiento. Nakamura adquirió así experiencia práctica en el montaje, modificación y operación del equipo de crecimiento cristalino. Esta experiencia resultó fundamental cuando regresó a Japón y comenzó a desarrollar y modificar equipos para su propio laboratorio en Nichia.
Nakamura regresó a Nichia en marzo de 1989. Durante su estancia en Estados Unidos había encargado un equipo MOCVD que posteriormente utilizó en Japón para continuar sus investigaciones.
Investigación sobre el nitruro de galio
En 1989 Nakamura comenzó a investigar sistemáticamente el uso de materiales basados en nitruros del grupo III para desarrollar LED azules.
El nitruro de galio (GaN) era considerado uno de los materiales más prometedores para producir luz azul, pero su utilización práctica presentaba graves dificultades. Era complicado obtener cristales de suficiente calidad y, además, era difícil fabricar GaN de tipo p, necesario para construir una unión p-n.
Akasaki y Amano habían conseguido anteriormente mejoras fundamentales en la calidad del GaN utilizando capas amortiguadoras y habían demostrado la posibilidad de obtener GaN de tipo p mediante irradiación con electrones. Nakamura desarrolló soluciones diferentes que permitieron hacer avanzar la tecnología hacia dispositivos prácticos y procesos de fabricación más adecuados para la producción.
Two-Flow MOCVD
En 1990 Nakamura desarrolló un nuevo sistema MOCVD para el crecimiento de GaN, denominado Two-Flow MOCVD (MOCVD de doble flujo). El sistema mejoró considerablemente la calidad de las capas cristalinas obtenidas y se convirtió en una de las contribuciones fundamentales de su trabajo con materiales basados en GaN.
Su trabajo permitió obtener GaN de elevada calidad y desarrollar nuevos métodos de crecimiento sobre sustratos de zafiro. Nakamura utilizó también una capa amortiguadora de GaN en lugar de la capa de nitruro de aluminio empleada anteriormente por Akasaki y Amano.
GaN de tipo p
Otro avance fundamental se produjo en 1991, cuando Nakamura consiguió obtener películas de GaN de tipo p mediante un proceso de recocido térmico. Sus investigaciones permitieron identificar el papel del hidrógeno en la pasivación de los aceptores de magnesio, mecanismo que dificultaba la obtención de una concentración útil de portadores positivos en el material.
Este avance permitió fabricar estructuras electrónicas que contenían conjuntamente capas de GaN de tipo n y de tipo p, condición necesaria para la construcción de LED eficientes.
Desarrollo del InGaN y del LED azul
En 1992 Nakamura consiguió obtener capas monocristalinas de nitruro de indio y galio (InGaN) que mostraban emisión a temperatura ambiente. El uso de InGaN fue decisivo porque permitía ajustar las propiedades electrónicas del material y obtener longitudes de onda correspondientes a la región azul y verde del espectro visible.
Para aumentar la eficiencia luminosa desarrolló estructuras de doble heteroestructura basadas en InGaN y AlGaN. En septiembre de 1992 consiguió fabricar una estructura de doble heteroestructura emisora, y posteriormente optimizó la composición y el espesor de la capa activa para obtener una emisión azul de mucha mayor intensidad.
El 29 de noviembre de 1993, Nichia anunció públicamente el desarrollo del primer LED azul de alta luminosidad basado en GaN desarrollado por Nakamura y sus colaboradores. El dispositivo alcanzaba una intensidad luminosa del orden de la candela, alrededor de cien veces mayor que la de los anteriores LED azules basados en carburo de silicio.
El desarrollo del LED azul no fue obra exclusiva de Nakamura. Akasaki y Amano habían realizado avances fundamentales en el crecimiento de GaN y en la obtención de material de tipo p. La contribución de Nakamura fue realizada de forma independiente en Nichia y se centró en nuevas técnicas de crecimiento cristalino, activación del GaN de tipo p, desarrollo del InGaN y estructuras de LED de alta eficiencia.
LED verdes, blancos y láseres
En 1994 Nakamura desarrolló LED azules y azul-verdes con una intensidad de aproximadamente dos candelas, y en 1995 obtuvo LED verdes de alta luminosidad basados en nitruros del grupo III.
El LED azul hizo posible una forma práctica de generar luz blanca combinando la emisión azul con materiales fosforescentes que convierten parte de la radiación azul en longitudes de onda mayores. También es posible obtener luz blanca mediante la combinación de LED rojos, verdes y azules. La tecnología de conversión mediante fósforo azul se convirtió en una de las bases de la iluminación LED moderna.
En 1995 Nakamura y su grupo desarrollaron los primeros diodos láser violetas basados en nitruros del grupo III. En 1996 presentó públicamente un prototipo de láser violeta y posteriormente desarrolló dispositivos con tiempos de funcionamiento prolongados.
Los láseres violetas y azules basados en GaN permitieron aumentar considerablemente la densidad de almacenamiento de los discos ópticos respecto de las tecnologías basadas en láseres rojos. Esta tecnología fue fundamental para el desarrollo de formatos ópticos de alta densidad, entre ellos Blu-ray.
Nichia comenzó a comercializar diodos láser violetas para aplicaciones de almacenamiento óptico a finales de la década de 1990, y en 1996 inició la venta de LED blancos basados en la tecnología desarrollada por Nakamura.
Carrera académica
Nakamura dejó Nichia en 1999 y en 2000 se incorporó al claustro de la Universidad de California en Santa Bárbara como profesor de Materiales y de Ingeniería Eléctrica e Informática. En UCSB continuó sus investigaciones sobre GaN, LED, láseres semiconductores y electrónica de estado sólido.
Desde UCSB ha trabajado en el crecimiento de materiales semiconductores de banda prohibida ancha, estructuras LED, láseres y nuevas tecnologías de iluminación de estado sólido. También ha investigado el crecimiento de cristales de GaN en volumen, incluidos métodos para obtener sustratos de GaN de alta calidad.
En 2008 fue uno de los cofundadores de Soraa, empresa dedicada al desarrollo de iluminación de estado sólido y al crecimiento de LED sobre sustratos de GaN. En 2013 cofundó SLD Laser, especializada en tecnologías de iluminación y láser basadas en semiconductores.
Según la información biográfica publicada por UCSB, Nakamura ha publicado más de 550 artículos científicos y posee más de 200 patentes estadounidenses y más de 175 patentes japonesas.
Litigio con Nichia
La relación entre Nakamura y Nichia continuó siendo objeto de controversia después de su salida de la empresa, particularmente en torno a la remuneración correspondiente a las invenciones realizadas durante su empleo.
En 2001 Nakamura demandó a Nichia ante el Tribunal de Distrito de Tokio para reclamar una compensación por una de las invenciones patentadas relacionada con el crecimiento de capas de semiconductores de compuestos de nitruro, conocida como la «patente 404». En enero de 2004, el tribunal de primera instancia ordenó a Nichia pagar 20 000 millones de yenes a Nakamura, después de valorar en una suma muy superior los beneficios asociados con la invención.
Nichia apeló la decisión. El 11 de enero de 2005, las partes alcanzaron un acuerdo recomendado por el Tribunal Superior de Tokio. Nichia aceptó pagar 608 570 000 yenes en concepto de remuneración y otros 235 340 000 yenes por intereses, para un total de 843 910 000 yenes. El acuerdo abarcó todas las invenciones realizadas por Nakamura durante su relación laboral con Nichia, incluidas 191 patentes registradas, cuatro modelos de utilidad y 112 solicitudes de patente pendientes, además de sus correspondientes derechos en otros países y determinados conocimientos técnicos no publicados.
El litigio se convirtió en un caso de referencia dentro del debate japonés sobre la remuneración de los empleados por invenciones desarrolladas en empresas.
Premios y reconocimientos
1996 — Premio Nishina (Nishina Memorial Award), por sus investigaciones sobre láseres semiconductores de muy corta longitud de onda. 1997 — Medalla de la Materials Research Society, por sus trabajos sobre heteroepitaxia de GaN y el desarrollo de LED y láseres basados en nitruros. 1998 — Premio Rank de Optoelectrónica. 1998 — Premio IEEE Jack A. Morton. 2002 — Medalla Benjamin Franklin de Ingeniería, concedida por el Instituto Franklin, por sus contribuciones fundamentales a la tecnología optoelectrónica basada en nitruro de galio. 2006 — Premio de Tecnología del Milenio, por el desarrollo de LED azules y blancos. 2007 — Premio Czochralski de la European Materials Research Society.