Vita lysdioder med hög effekt står inför samma problem som Michigan Stadium står inför på speldagen – för många människor på för litet utrymme. Självklart, det finns inga människor inuti en LED. Men det finns många elektroner som behöver undvika varandra och minimera sina kollisioner för att hålla LED-effektiviteten hög. Genom att använda prediktiva atomistiska beräkningar och högpresterande superdatorer vid NERSCs datoranläggning, forskarna Logan Williams och Emmanouil Kioupakis vid University of Michigan fann att inkorporering av grundämnet bor i det mycket använda InGaN-materialet (indium-galliumnitrid) kan förhindra att elektroner blir för trånga i lysdioder, gör materialet mer effektivt för att producera ljus.

Moderna lysdioder är gjorda av lager av olika halvledarmaterial som odlas ovanpå varandra. Den enklaste lysdioden har tre sådana lager. Ett lager görs med extra elektroner som lagts in i materialet. Ett annat lager är gjort med för få elektroner, de tomma utrymmena där elektroner skulle finnas kallas hål. Sedan finns det ett tunt mellanlager inklämt mellan de andra två som bestämmer vilken våglängd av ljus som sänds ut av lysdioden. När en elektrisk ström appliceras, elektronerna och hålen flyttar in i mittskiktet där de kan kombineras för att producera ljus. Men om vi klämmer för många elektroner i mellanlagret för att öka mängden ljus som kommer ut från lysdioden, då kan elektronerna kollidera med varandra snarare än att kombineras med hål för att producera ljus. Dessa kollisioner omvandlar elektronenergin till värme i en process som kallas Auger-rekombination och sänker LED:s effektivitet.

Ett sätt att lösa detta problem är att göra mer utrymme i mellanskiktet för elektroner (och hål) att röra sig. Ett tjockare lager sprider ut elektronerna över ett större utrymme, vilket gör det lättare för dem att undvika varandra och minska energin som går förlorade till deras kollisioner. Men att göra detta mellanliggande LED-skikt tjockare är inte så enkelt som det låter.

Eftersom LED-halvledarmaterial är kristaller, atomerna som utgör dem måste vara ordnade på specifika regelbundna avstånd från varandra. Det regelbundna avståndet mellan atomer i kristaller kallas gitterparametern. När kristallina material odlas i lager ovanpå varandra, deras gitterparametrar måste vara lika så att de regelbundna arrangemangen av atomer matchar var materialen är sammanfogade. Annars deformeras materialet för att matcha lagret under det. Små deformationer är inga problem, men om toppmaterialet odlas för tjockt och deformationen blir för stark, blir atomerna felinriktade så mycket att de minskar LED-effektiviteten. De mest populära materialen för blå och vita lysdioder idag är InGaN omgiven av lager av GaN. Tyvärr, gitterparametern för InGaN matchar inte GaN. Detta gör det utmanande att växa tjockare InGaN-lager för att minska elektronkollisioner.

Williams och Kioupakis fann att genom att inkludera bor i detta mellanlager av InGaN, dess gitterparameter blir mycket mer lik GaN, blir till och med exakt samma för vissa koncentrationer av bor. Dessutom, även om ett helt nytt element ingår i materialet, våglängden för ljuset som emitteras av BInGaN-materialet är mycket nära den för InGaN och kan ställas in till olika färger genom hela det synliga spektrumet. Detta gör BInGaN lämplig att odlas i tjockare lager, minskar elektronkollisioner och ökar effektiviteten hos de synliga lysdioderna.

Även om detta material lovar att producera mer effektiva lysdioder, det är viktigt att det kan realiseras i laboratoriet. Williams och Kioupakis har också visat att BInGaN skulle kunna odlas på GaN med hjälp av befintliga tillväxttekniker för InGaN, möjliggör snabb testning och användning av detta material för lysdioder. Fortfarande, den primära utmaningen med att tillämpa detta arbete kommer att vara att finjustera hur man bäst får bor in i InGaN i tillräckligt höga mängder. Men den här forskningen ger en spännande väg för experimentalister att utforska att göra nya lysdioder som är kraftfulla, effektiv, och prisvärt på samma gång.