Atomistiske beregninger forudsiger, at borinkorporering øger effektiviteten af ​​lysdioder

Hvide LED'er med høj effekt står over for det samme problem, som Michigan Stadium står over for på spilledagen – for mange mennesker på en for lille plads. Selvfølgelig, der er ingen mennesker inde i en LED. Men der er mange elektroner, der skal undgå hinanden og minimere deres kollisioner for at holde LED-effektiviteten høj. Ved hjælp af forudsigelige atomistiske beregninger og højtydende supercomputere på NERSC-computerfaciliteten, forskere Logan Williams og Emmanouil Kioupakis ved University of Michigan fandt ud af, at inkorporering af grundstoffet bor i det meget brugte InGaN (indium-gallium nitrid) materiale kan forhindre elektroner i at blive for overfyldte i LED'er, gør materialet mere effektivt til at producere lys.

Moderne LED'er er lavet af lag af forskellige halvledermaterialer dyrket oven på hinanden. Den enkleste LED har tre sådanne lag. Et lag er lavet med ekstra elektroner sat ind i materialet. Et andet lag er lavet med for få elektroner, de tomme rum, hvor elektroner ville være, kaldes huller. Så er der et tyndt mellemlag klemt mellem de to andre, der bestemmer, hvilken bølgelængde af lys der udsendes af LED'en. Når der påføres en elektrisk strøm, elektronerne og hullerne bevæger sig ind i mellemlaget, hvor de kan kombineres for at producere lys. Men hvis vi klemmer for mange elektroner i mellemlaget for at øge mængden af ​​lys, der kommer ud af LED'en, så kan elektronerne kollidere med hinanden frem for at kombinere med huller for at producere lys. Disse kollisioner omdanner elektronenergien til varme i en proces kaldet Auger-rekombination og sænker LED'ens effektivitet.

En måde at omgå dette problem på er at skabe mere plads i det mellemste lag, så elektroner (og huller) kan bevæge sig rundt. Et tykkere lag spreder elektronerne ud over et bredere rum, gør det lettere for dem at undgå hinanden og reducere den energi, der går tabt ved deres kollisioner. Men at gøre dette mellemste LED-lag tykkere er ikke så simpelt, som det lyder.

Fordi LED-halvledermaterialer er krystaller, atomerne, der udgør dem, skal være arrangeret i bestemte regelmæssige afstande fra hinanden. Den regelmæssige afstand mellem atomer i krystaller kaldes gitterparameteren. Når krystallinske materialer dyrkes i lag oven på hinanden, deres gitterparametre skal være ens, så de regelmæssige arrangementer af atomer matcher, hvor materialerne er forbundet. Ellers deformeres materialet, så det matcher laget under det. Små deformationer er ikke et problem, men hvis topmaterialet vokser for tykt, og deformationen bliver for stærk, bliver atomerne forkert justeret så meget, at de reducerer LED -effektiviteten. De mest populære materialer til blå og hvide LED'er i dag er InGaN omgivet af lag af GaN. Desværre, gitterparameteren for InGaN stemmer ikke overens med GaN. Dette gør det udfordrende at vokse tykkere InGaN-lag for at reducere elektronkollisioner.

Williams og Kioupakis fandt ud af, at ved at inkludere bor i dette mellemste InGaN-lag, dens gitterparameter bliver meget mere lig GaN, endda blive nøjagtig det samme for nogle koncentrationer af bor. Ud over, selvom et helt nyt element er inkluderet i materialet, bølgelængden af ​​lys, der udsendes af BInGaN-materialet, er meget tæt på InGaNs og kan indstilles til forskellige farver i hele det synlige spektrum. Dette gør BInGaN velegnet til dyrkning i tykkere lag, reducere elektronkollisioner og øge effektiviteten af ​​de synlige lysdioder.

Selvom dette materiale lover at producere mere effektive LED'er, det er vigtigt, at det kan realiseres i laboratoriet. Williams og Kioupakis har også vist, at BInGaN kunne dyrkes på GaN ved hjælp af de eksisterende vækstteknikker for InGaN, tillader hurtig test og brug af dette materiale til LED'er. Stadig, den primære udfordring ved at anvende dette arbejde vil være at finjustere, hvordan man bedst får bor inkorporeret i InGaN i tilstrækkeligt høje mængder. Men denne forskning giver eksperimentel en spændende mulighed for at udforske at lave nye lysdioder, der er kraftfulde, effektiv, og overkommelige på samme tid.