Les LED blanches haute puissance sont confrontées au même problème que le Michigan Stadium le jour du match :trop de monde dans un espace trop petit. Bien sûr, il n'y a personne à l'intérieur d'une LED. Mais il y a beaucoup d'électrons qui doivent s'éviter et minimiser leurs collisions pour maintenir l'efficacité de la LED élevée. À l'aide de calculs atomistiques prédictifs et de supercalculateurs hautes performances de l'installation de calcul NERSC, les chercheurs Logan Williams et Emmanouil Kioupakis de l'Université du Michigan ont découvert que l'incorporation de l'élément bore dans le matériau largement utilisé InGaN (nitrure d'indium-gallium) peut empêcher les électrons de devenir trop encombrés dans les LED, rendre le matériau plus efficace pour produire de la lumière.

Les LED modernes sont constituées de couches de différents matériaux semi-conducteurs superposés. La LED la plus simple a trois couches de ce type. Une couche est constituée d'électrons supplémentaires introduits dans le matériau. Une autre couche est faite avec trop peu d'électrons, les espaces vides où seraient les électrons sont appelés trous. Ensuite, il y a une fine couche intermédiaire prise en sandwich entre les deux autres qui détermine la longueur d'onde de la lumière émise par la LED. Lorsqu'un courant électrique est appliqué, les électrons et les trous se déplacent dans la couche intermédiaire où ils peuvent se combiner pour produire de la lumière. Mais si nous pressons trop d'électrons dans la couche intermédiaire pour augmenter la quantité de lumière sortant de la LED, alors les électrons peuvent entrer en collision les uns avec les autres plutôt que de se combiner avec des trous pour produire de la lumière. Ces collisions convertissent l'énergie des électrons en chaleur dans un processus appelé recombinaison Auger et réduisent l'efficacité de la LED.

Un moyen de contourner ce problème est de faire plus de place dans la couche intermédiaire pour que les électrons (et les trous) se déplacent. Une couche plus épaisse étale les électrons sur un espace plus large, leur permettant de s'éviter plus facilement et de réduire l'énergie perdue lors de leurs collisions. Mais rendre cette couche de LED intermédiaire plus épaisse n'est pas aussi simple qu'il y paraît.

Parce que les matériaux semi-conducteurs à LED sont des cristaux, les atomes qui les composent doivent être disposés à des distances régulières spécifiques les uns des autres. Cet espacement régulier des atomes dans les cristaux est appelé paramètre de réseau. Lorsque les matériaux cristallins sont développés en couches les unes sur les autres, leurs paramètres de réseau doivent être similaires afin que les arrangements réguliers des atomes correspondent à l'endroit où les matériaux sont joints. Sinon, le matériau se déforme pour correspondre à la couche en dessous. Les petites déformations ne sont pas un problème, mais si le matériau supérieur est devenu trop épais et que la déformation devient trop forte, les atomes se désalignent tellement qu'ils réduisent l'efficacité de la LED. Les matériaux les plus populaires pour les LED bleues et blanches sont aujourd'hui l'InGaN entouré de couches de GaN. Malheureusement, le paramètre de réseau de InGaN ne correspond pas à GaN. Cela rend difficile la croissance des couches d'InGaN plus épaisses pour réduire les collisions d'électrons.

Williams et Kioupakis ont découvert qu'en incluant du bore dans cette couche intermédiaire d'InGaN, son paramètre de réseau devient beaucoup plus similaire à GaN, devenant même exactement le même pour certaines concentrations de bore. En outre, même si un élément entièrement nouveau est inclus dans le matériau, la longueur d'onde de la lumière émise par le matériau BInGaN est très proche de celle de l'InGaN et peut être réglée sur différentes couleurs dans tout le spectre visible. Cela rend BInGaN apte à être cultivé en couches plus épaisses, réduire les collisions d'électrons et augmenter l'efficacité des LED visibles.

Bien que ce matériau promet de produire des LED plus efficaces, il est important qu'il puisse être réalisé en laboratoire. Williams et Kioupakis ont également montré que BInGaN pouvait être cultivé sur GaN en utilisant les techniques de croissance existantes pour InGaN, permettant un test et une utilisation rapide de ce matériau pour les LED. Toujours, le principal défi de l'application de ce travail sera de peaufiner la meilleure façon d'incorporer le bore dans InGaN à des quantités suffisamment élevées. Mais cette recherche offre une voie passionnante aux expérimentateurs pour explorer la fabrication de nouvelles LED puissantes, efficace, et abordable à la fois.