För första gången har en internationell forskargrupp avslöjat kärnmekanismen som begränsar halten indium (In) i indiumgalliumnitrid ((In, Ga)N) tunna filmer – nyckelmaterialet för blåljusemitterande dioder (LED). Att öka In-innehållet i InGaN-kvantbrunnar är det vanliga tillvägagångssättet att flytta utsläppet av III-Nitrid-baserade lysdioder mot det gröna och, särskilt, röd del av det optiska spektrumet, nödvändigt för moderna RGB-enheter. De nya rönen svarar på den långvariga forskningsfrågan:varför misslyckas detta klassiska tillvägagångssätt, när vi försöker få fram effektiva InGaN-baserade gröna och röda lysdioder?

Trots framstegen inom området gröna lysdioder och lasrar, forskarna kunde inte övervinna gränsen på 30 % av indiumhalten i filmerna. Anledningen till det var hittills oklar:är det ett problem att hitta rätt tillväxtförhållanden eller snarare en fundamental effekt som inte går att övervinna? Nu, ett internationellt team från Tyskland, Polen och Kina har kastat nytt ljus över denna fråga och avslöjat den mekanism som är ansvarig för den begränsningen.

I sitt arbete försökte forskarna pressa indiumhalten till det yttersta genom att odla enstaka atomlager av InN på GaN. Dock, oberoende av tillväxtförhållanden, indiumkoncentrationerna har aldrig överskridit 25 % - 30 % – ett tydligt tecken på en fundamentalt begränsande mekanism. Forskarna använde avancerade karakteriseringsmetoder, såsom atomupplösningstransmissionselektronmikroskop (TEM) och in-situ reflektion med hög energi elektrondiffraktion (RHEED), och upptäckte att så snart indiumhalten når cirka 25 %, atomerna inom (In, Ga)N monolager ordnas i ett regelbundet mönster – en atomkolumn av In alternerar med två atomkolumner av Ga-atomer. Omfattande teoretiska beräkningar avslöjade att atomordningen induceras av en viss ytrekonstruktion:indiumatomer är bundna med fyra angränsande atomer, istället för förväntade tre. Detta skapar starkare bindningar mellan indium- och kväveatomer, som, å ena sidan, gör det möjligt att använda högre temperaturer under tillväxten och ger material med bättre kvalitet. Å andra sidan, beställningen sätter gränsen för In-innehållet på 25 %, som inte kan övervinnas under realistiska tillväxtförhållanden.

"Tydligen, en teknisk flaskhals hämmar alla försök att flytta utsläppet från det gröna mot det gula och röda området i spektrat. Därför, nya ursprungliga vägar krävs brådskande för att övervinna dessa grundläggande begränsningar", säger Dr. Tobias Schulz, vetenskapsman vid Leibniz-Institut für Kristallzüchtung; "till exempel, tillväxt av InGaN-filmer på högkvalitativa InGaN-pseudosubstrat som skulle minska belastningen i det växande lagret."

Dock, upptäckten av beställning kan hjälpa till att övervinna välkända begränsningar hos InGaN-materialsystemet:lokalisering av laddningsbärare på grund av fluktuationer i legeringens kemiska sammansättning. Växande stall beställd (i, Ga)N-legeringar med den fixerade sammansättningen vid höga temperaturer skulle således kunna förbättra anordningarnas optiska egenskaper.