I LED bianchi ad alta potenza affrontano lo stesso problema che il Michigan Stadium affronta il giorno della partita:troppe persone in uno spazio troppo piccolo. Certo, non ci sono persone all'interno di un LED. Ma ci sono molti elettroni che devono evitarsi l'un l'altro e ridurre al minimo le loro collisioni per mantenere alta l'efficienza del LED. Utilizzando calcoli atomistici predittivi e supercomputer ad alte prestazioni presso la struttura di calcolo NERSC, i ricercatori Logan Williams ed Emmanouil Kioupakis dell'Università del Michigan hanno scoperto che incorporare l'elemento boro nel materiale ampiamente utilizzato InGaN (nitruro di indio-gallio) può impedire agli elettroni di diventare troppo affollati nei LED, rendendo il materiale più efficiente nel produrre luce.

I LED moderni sono costituiti da strati di diversi materiali semiconduttori cresciuti uno sopra l'altro. Il LED più semplice ha tre di questi strati. Uno strato è realizzato con elettroni extra inseriti nel materiale. Un altro strato è fatto con troppo pochi elettroni, gli spazi vuoti dove sarebbero gli elettroni sono chiamati buchi. Poi c'è un sottile strato intermedio racchiuso tra gli altri due che determina quale lunghezza d'onda della luce viene emessa dal LED. Quando viene applicata una corrente elettrica, gli elettroni e le lacune si spostano nello strato intermedio dove possono combinarsi insieme per produrre luce. Ma se spremiamo troppi elettroni nello strato intermedio per aumentare la quantità di luce che esce dal LED, quindi gli elettroni possono scontrarsi tra loro piuttosto che combinarsi con buchi per produrre luce. Queste collisioni convertono l'energia degli elettroni in calore in un processo chiamato ricombinazione Auger e riducono l'efficienza del LED.

Un modo per aggirare questo problema è creare più spazio nello strato intermedio affinché gli elettroni (e le lacune) si muovano. Uno strato più spesso distribuisce gli elettroni su uno spazio più ampio, rendendo più facile per loro evitarsi l'un l'altro e ridurre l'energia persa nelle loro collisioni. Ma rendere più spesso questo strato di LED centrale non è così semplice come sembra.

Poiché i materiali semiconduttori LED sono cristalli, gli atomi che li compongono devono essere disposti a precise distanze regolari l'uno dall'altro. Quella spaziatura regolare degli atomi nei cristalli è chiamata parametro reticolare. Quando i materiali cristallini crescono in strati uno sopra l'altro, i loro parametri reticolari devono essere simili in modo che le disposizioni regolari degli atomi corrispondano al punto in cui i materiali sono uniti. Altrimenti il ​​materiale si deforma per adattarsi allo strato sottostante. Piccole deformazioni non sono un problema, ma se il materiale superiore è cresciuto troppo spesso e la deformazione diventa troppo forte, gli atomi si disallineano così tanto da ridurre l'efficienza del LED. I materiali più popolari per i LED blu e bianchi oggi sono InGaN circondato da strati di GaN. Sfortunatamente, il parametro reticolare di InGaN non corrisponde a GaN. Ciò rende difficile la crescita di strati di InGaN più spessi per ridurre le collisioni di elettroni.

Williams e Kioupakis hanno scoperto che includendo il boro in questo strato intermedio di InGaN, il suo parametro reticolare diventa molto più simile a GaN, anche diventando esattamente lo stesso per alcune concentrazioni di boro. Inoltre, anche se nel materiale è incluso un elemento completamente nuovo, la lunghezza d'onda della luce emessa dal materiale BInGaN è molto vicina a quella di InGaN e può essere sintonizzata su diversi colori in tutto lo spettro visibile. Questo rende BInGaN adatto ad essere coltivato in strati più spessi, riducendo le collisioni di elettroni e aumentando l'efficienza dei LED visibili.

Sebbene questo materiale prometta di produrre LED più efficienti, è importante che possa essere realizzato in laboratorio. Williams e Kioupakis hanno anche dimostrato che BInGaN potrebbe essere coltivato su GaN utilizzando le tecniche di crescita esistenti per InGaN, consentendo un rapido test e utilizzo di questo materiale per i LED. Ancora, la sfida principale nell'applicare questo lavoro sarà mettere a punto il modo migliore per incorporare il boro in InGaN in quantità sufficientemente elevate. Ma questa ricerca fornisce agli sperimentatori una strada entusiasmante per esplorare la creazione di nuovi LED potenti, efficiente, e conveniente allo stesso tempo.