Voor het eerst heeft een internationale onderzoeksgroep het kernmechanisme onthuld dat het indium (In)-gehalte in indium galliumnitride ((In, Ga)N) dunne films – het belangrijkste materiaal voor blauwe lichtgevende diodes (LED). Het verhogen van het In-gehalte in InGaN-kwantumbronnen is de gebruikelijke benadering om de emissie van op III-nitride gebaseerde LED's naar de groene en, vooral, rode deel van het optische spectrum, noodzakelijk voor de moderne RGB-apparaten. De nieuwe bevindingen beantwoorden de al lang bestaande onderzoeksvraag:waarom faalt deze klassieke benadering, wanneer we efficiënte, op InGaN gebaseerde groene en rode LED's proberen te verkrijgen?

Ondanks de vooruitgang op het gebied van groene leds en lasers, de onderzoekers konden de limiet van 30% van het indiumgehalte in de films niet overschrijden. De reden daarvoor was tot nu toe onduidelijk:is het een probleem om de juiste groeicondities te vinden of eerder een fundamenteel effect dat niet te overwinnen is? Nutsvoorzieningen, een internationaal team uit Duitsland, Polen en China hebben nieuw licht op deze kwestie geworpen en het mechanisme onthuld dat verantwoordelijk is voor die beperking.

In hun werk probeerden de wetenschappers het indiumgehalte tot het uiterste te drijven door enkele atoomlagen van InN op GaN te laten groeien. Echter, onafhankelijk van groeiomstandigheden, indiumconcentraties zijn nooit hoger geweest dan 25% - 30% - een duidelijk teken van een fundamenteel beperkend mechanisme. De onderzoekers gebruikten geavanceerde karakteriseringsmethoden, zoals atomaire resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) en in-situ reflectie hoge energie elektronendiffractie (RHEED), en ontdekte dat zodra het indiumgehalte ongeveer 25% bereikt, de atomen binnen de (In, Ga)N-monolaag gerangschikt in een regelmatig patroon - een enkele atoomkolom van In wordt afgewisseld met twee atoomkolommen van Ga-atomen. Uitgebreide theoretische berekeningen onthulden dat de atomaire ordening wordt veroorzaakt door een bepaalde oppervlaktereconstructie:indiumatomen zijn gebonden aan vier aangrenzende atomen, in plaats van er drie te verwachten. Hierdoor ontstaan ​​sterkere bindingen tussen indium- en stikstofatomen, die, aan de ene kant, maakt het mogelijk om tijdens de groei hogere temperaturen te gebruiken en geeft materiaal van betere kwaliteit. Anderzijds, de bestelling stelt de limiet van het In-gehalte van 25%, die niet kunnen worden overwonnen onder realistische groeiomstandigheden.

"Blijkbaar, een technologisch knelpunt belemmert alle pogingen om de emissie van de groene naar de gele en rode gebieden van de spectra te verschuiven. Daarom, nieuwe originele wegen zijn dringend nodig om deze fundamentele beperkingen te overwinnen", zegt Dr. Tobias Schulz, wetenschapper aan het Leibniz-Institut für Kristallzüchtung; "bijvoorbeeld, groei van InGaN-films op hoogwaardige InGaN-pseudosubstraten die de spanning in de groeiende laag zouden verminderen."

Echter, de ontdekking van ordening kan helpen om bekende beperkingen van het InGaN-materiaalsysteem te overwinnen:lokalisatie van ladingsdragers als gevolg van fluctuaties in de chemische samenstelling van de legering. Groeiende stal besteld (In, Ga)N-legeringen met de vaste samenstelling bij hoge temperaturen zouden dus de optische eigenschappen van apparaten kunnen verbeteren.