Per la prima volta un gruppo di ricerca internazionale ha rivelato il meccanismo fondamentale che limita il contenuto di indio (In) nel nitruro di indio gallio ((In, Ga)N) film sottili:il materiale chiave per i diodi a emissione di luce blu (LED). L'aumento del contenuto di In nei pozzi quantistici di InGaN è l'approccio comune per spostare l'emissione dei LED a base di III-nitruro verso il verde e, in particolare, parte rossa dello spettro ottico, necessario per i moderni dispositivi RGB. Le nuove scoperte rispondono alla domanda di ricerca di vecchia data:perché questo approccio classico fallisce, quando cerchiamo di ottenere LED verdi e rossi efficienti basati su InGaN?

Nonostante i progressi nel campo dei LED verdi e dei laser, i ricercatori non sono riusciti a superare il limite del 30% di contenuto di indio nei film. Il motivo fino ad ora non era chiaro:è un problema di trovare le giuste condizioni di crescita o piuttosto un effetto fondamentale non superabile? Ora, una squadra internazionale dalla Germania, La Polonia e la Cina hanno gettato nuova luce su questa questione e hanno rivelato il meccanismo responsabile di tale limitazione.

Nel loro lavoro gli scienziati hanno cercato di spingere al limite il contenuto di indio facendo crescere singoli strati atomici di InN su GaN. Però, indipendente dalle condizioni di crescita, le concentrazioni di indio non hanno mai superato il 25% - 30% – un chiaro segno di un meccanismo fondamentalmente limitante. I ricercatori hanno utilizzato metodi di caratterizzazione avanzati, come il microscopio elettronico a trasmissione a risoluzione atomica (TEM) e la diffrazione elettronica ad alta energia a riflessione in situ (RHEED), e scoprì che, non appena il contenuto di indio raggiunge circa il 25%, gli atomi all'interno del (In, Il monostrato di Ga)N si dispone in uno schema regolare:una singola colonna atomica di In si alterna a due colonne atomiche di atomi di Ga. Completi calcoli teorici hanno rivelato che l'ordinamento atomico è indotto da una particolare ricostruzione della superficie:gli atomi di indio sono legati a quattro atomi vicini, invece dei tre previsti. Questo crea legami più forti tra indio e atomi di azoto, quale, da una parte, consente di utilizzare temperature più elevate durante la crescita e fornisce materiale di migliore qualità. D'altra parte, l'ordine fissa il limite del contenuto In del 25%, che non può essere superato in condizioni di crescita realistiche.

"Apparentemente, un collo di bottiglia tecnologico ostacola tutti i tentativi di spostare l'emissione dal verde verso il giallo e le regioni rosse degli spettri. Perciò, occorrono urgentemente nuovi percorsi originali per superare questi limiti fondamentali", afferma il dottor Tobias Schulz, scienziato al Leibniz-Institut für Kristallzüchtung; "Per esempio, crescita di film InGaN su pseudo-substrati InGaN di alta qualità che ridurrebbero lo sforzo nello strato in crescita."

Però, la scoperta dell'ordinamento può aiutare a superare i ben noti limiti del sistema materiale InGaN:localizzazione dei portatori di carica dovuta alle fluttuazioni nella composizione chimica della lega. Stabile in crescita ordinato (In, Le leghe Ga)N con composizione fissa alle alte temperature potrebbero quindi migliorare le proprietà ottiche dei dispositivi.