Los LED blancos de alta potencia enfrentan el mismo problema que enfrenta el Michigan Stadium el día del juego:demasiada gente en un espacio demasiado pequeño. Por supuesto, no hay personas dentro de un LED. Pero hay muchos electrones que deben evitarse entre sí y minimizar sus colisiones para mantener alta la eficiencia del LED. Usando cálculos atomísticos predictivos y supercomputadoras de alto rendimiento en las instalaciones de computación de NERSC, Los investigadores Logan Williams y Emmanouil Kioupakis de la Universidad de Michigan encontraron que la incorporación del elemento boro en el material ampliamente utilizado InGaN (nitruro de indio-galio) puede evitar que los electrones se acumulen demasiado en los LED. haciendo que el material sea más eficiente en la producción de luz.

Los LED modernos están hechos de capas de diferentes materiales semiconductores que crecen uno encima del otro. El LED más simple tiene tres capas de este tipo. Una capa está hecha con electrones adicionales colocados en el material. Otra capa está hecha con muy pocos electrones, los espacios vacíos donde estarían los electrones se llaman huecos. Luego, hay una capa intermedia delgada intercalada entre las otras dos que determina qué longitud de onda de luz emite el LED. Cuando se aplica una corriente eléctrica, los electrones y los agujeros se mueven hacia la capa intermedia donde pueden combinarse para producir luz. Pero si exprimimos demasiados electrones en la capa intermedia para aumentar la cantidad de luz que sale del LED, entonces los electrones pueden colisionar entre sí en lugar de combinarse con agujeros para producir luz. Estas colisiones convierten la energía de los electrones en calor en un proceso llamado recombinación Auger y reducen la eficiencia del LED.

Una forma de solucionar este problema es dejar más espacio en la capa intermedia para que los electrones (y huecos) se muevan. Una capa más gruesa distribuye los electrones en un espacio más amplio, haciéndoles más fácil evitarse unos a otros y reducir la energía perdida en sus colisiones. Pero hacer que esta capa intermedia de LED sea más gruesa no es tan simple como parece.

Debido a que los materiales semiconductores LED son cristales, los átomos que los componen deben estar dispuestos a distancias regulares específicas entre sí. Ese espaciado regular de átomos en cristales se llama parámetro de red. Cuando los materiales cristalinos crecen en capas uno encima del otro, sus parámetros de red deben ser similares para que las disposiciones regulares de los átomos coincidan donde se unen los materiales. De lo contrario, el material se deforma para que coincida con la capa que se encuentra debajo. Las pequeñas deformaciones no son un problema, pero si el material superior se vuelve demasiado grueso y la deformación se vuelve demasiado fuerte, los átomos se desalinean tanto que reducen la eficiencia del LED. Los materiales más populares para los LED azules y blancos en la actualidad son InGaN rodeado por capas de GaN. Desafortunadamente, el parámetro de celosía de InGaN no coincide con GaN. Esto hace que el crecimiento de capas de InGaN más gruesas para reducir las colisiones de electrones sea un desafío.

Williams y Kioupakis descubrieron que al incluir boro en esta capa intermedia de InGaN, su parámetro de celosía se vuelve mucho más similar a GaN, incluso volviéndose exactamente igual para algunas concentraciones de boro. Además, aunque se incluye un elemento completamente nuevo en el material, la longitud de onda de la luz emitida por el material BInGaN es muy cercana a la de InGaN y se puede sintonizar con diferentes colores en todo el espectro visible. Esto hace que BInGaN sea adecuado para cultivarse en capas más gruesas, reduciendo las colisiones de electrones y aumentando la eficiencia de los LED visibles.

Aunque este material promete producir LED más eficientes, es importante que se pueda realizar en el laboratorio. Williams y Kioupakis también han demostrado que BInGaN podría cultivarse en GaN utilizando las técnicas de crecimiento existentes para InGaN, permitiendo pruebas rápidas y uso de este material para LED. Todavía, El principal desafío de aplicar este trabajo será ajustar la mejor manera de incorporar boro en InGaN en cantidades suficientemente altas. Pero esta investigación proporciona una vía emocionante para que los experimentadores exploren la fabricación de nuevos LED que sean potentes, eficiente, y asequible al mismo tiempo.