Мощные белые светодиоды сталкиваются с той же проблемой, что и стадион «Мичиган» в день игры - слишком много людей в слишком маленьком пространстве. Конечно, внутри светодиода нет людей. Но есть много электронов, которым необходимо избегать друг друга и минимизировать их столкновения, чтобы поддерживать высокую эффективность светодиода. Используя прогностические атомистические расчеты и высокопроизводительные суперкомпьютеры в вычислительном центре NERSC, исследователи Логан Уильямс и Эммануил Киупакис из Мичиганского университета обнаружили, что включение элемента бора в широко используемый материал InGaN (нитрид индия-галлия) может препятствовать превращению электронов в слишком переполнены светодиодами, что делает материал более эффективным при производстве света.
Современные светодиоды состоят из слоев различных полупроводниковых материалов, наращенных друг на друга. Самый простой светодиод имеет три таких слоя. Один слой состоит из дополнительных электронов, помещенных в материал. Другой слой состоит из слишком малого количества электронов, пустые места, где должны быть электроны, называются дырками. Затем между двумя другими находится тонкий средний слой, который определяет, какая длина волны света излучается светодиодом. Когда подается электрический ток, электроны и дырки перемещаются в средний слой, где они могут объединяться вместе, чтобы производить свет. Но если мы сожмем слишком много электронов в среднем слое, чтобы увеличить количество света, выходящего из светодиода, то электроны могут столкнуться друг с другом, а не соединиться с дырками для получения света. Эти столкновения преобразуют энергию электронов в тепло в процессе, называемом оже-рекомбинацией, и снижают эффективность светодиода.
Решение этой проблемы состоит в том, чтобы создать больше места в среднем слое для движения электронов (и дырок). Более толстый слой распределяет электроны по более широкому пространству, позволяя им избегать друг друга и уменьшая потери энергии при их столкновениях. Но сделать этот средний светодиодный слой толще не так просто, как кажется.
Поскольку полупроводниковые материалы для светодиодов представляют собой кристаллы, атомы, из которых они состоят, должны располагаться на определенных регулярных расстояниях друг от друга. Это регулярное расстояние между атомами в кристаллах называется параметром решетки. Когда кристаллические материалы выращиваются слоями друг над другом, параметры их решетки должны быть одинаковыми, чтобы правильное расположение атомов соответствовало месту соединения материалов. В противном случае материал деформируется, чтобы соответствовать слою под ним. Небольшие деформации не являются проблемой, но если верхний материал становится слишком толстым и деформация становится слишком сильной, атомы настолько смещаются, что снижают эффективность светодиода. Наиболее популярным материалом для синих и белых светодиодов сегодня является InGaN, окруженный слоями GaN. К сожалению, параметр решетки InGaN не соответствует GaN. Это затрудняет выращивание более толстых слоев InGaN для уменьшения столкновений электронов.
Williams и Kioupakis обнаружили, что при включении бора в этот средний слой InGaN его параметр решетки становится намного более похожим на GaN, даже становясь точно таким же для некоторых концентраций бора. Кроме того, несмотря на то, что в материал включен совершенно новый элемент, длина волны света, излучаемого материалом BInGaN, очень близка к длине волны InGaN и может быть настроена на различные цвета во всем видимом спектре. Это делает BInGaN пригодным для выращивания в более толстых слоях, уменьшая количество столкновений электронов и повышая эффективность светодиодов видимого диапазона.
Хотя этот материал обещает производить более эффективные светодиоды, важно, что его можно реализовать в лаборатории. Уильямс и Киупакис также показали, что BInGaN можно выращивать на GaN с использованием существующих методов выращивания InGaN, что позволяет быстро тестировать и использовать этот материал для светодиодов. Тем не менее, основной задачей применения этой работы будет точная настройка того, как лучше всего включить бор в InGaN в достаточно больших количествах. Но это исследование предоставляет экспериментаторам захватывающую возможность изучить создание новых светодиодов, которые будут мощными, эффективными и в то же время доступными.