Krachtige witte LED's hebben hetzelfde probleem als Michigan Stadium op de wedstrijddag:te veel mensen in een te kleine ruimte. Natuurlijk, er zijn geen mensen in een LED. Maar er zijn veel elektronen die elkaar moeten vermijden en hun botsingen moeten minimaliseren om de LED-efficiëntie hoog te houden. Met behulp van voorspellende atomistische berekeningen en krachtige supercomputers in de NERSC-computerfaciliteit, onderzoekers Logan Williams en Emmanouil Kioupakis van de Universiteit van Michigan ontdekten dat het opnemen van het element borium in het veelgebruikte InGaN-materiaal (indium-galliumnitride) ervoor kan zorgen dat elektronen niet te vol worden in LED's, waardoor het materiaal efficiënter licht produceert.

Moderne LED's zijn gemaakt van lagen van verschillende halfgeleidermaterialen die op elkaar zijn gegroeid. De eenvoudigste LED heeft drie van dergelijke lagen. Eén laag wordt gemaakt met extra elektronen die in het materiaal zijn geplaatst. Een andere laag is gemaakt met te weinig elektronen, de lege ruimtes waar elektronen zouden zijn, worden gaten genoemd. Dan is er een dunne middenlaag tussen de andere twee die bepaalt welke golflengte van het licht door de LED wordt uitgestraald. Wanneer een elektrische stroom wordt toegepast, de elektronen en gaten gaan naar de middelste laag waar ze kunnen combineren om licht te produceren. Maar als we te veel elektronen in de middelste laag persen om de hoeveelheid licht die uit de LED komt te vergroten, dan kunnen de elektronen met elkaar botsen in plaats van te combineren met gaten om licht te produceren. Deze botsingen zetten de elektronenenergie om in warmte in een proces dat Auger-recombinatie wordt genoemd en verlagen de efficiëntie van de LED.

Een manier om dit probleem te omzeilen is om meer ruimte te maken in de middelste laag voor elektronen (en gaten) om te bewegen. Een dikkere laag spreidt de elektronen uit over een grotere ruimte, waardoor het voor hen gemakkelijker wordt om elkaar te ontwijken en de energie die verloren gaat bij hun botsingen te verminderen. Maar deze middelste LED-laag dikker maken is niet zo eenvoudig als het klinkt.

Omdat LED-halfgeleidermaterialen kristallen zijn, de atomen waaruit ze bestaan, moeten op bepaalde regelmatige afstanden van elkaar worden gerangschikt. Die regelmatige afstand van atomen in kristallen wordt de roosterparameter genoemd. Wanneer kristallijne materialen in lagen op elkaar worden gekweekt, hun roosterparameters moeten vergelijkbaar zijn, zodat de regelmatige rangschikkingen van atomen overeenkomen met waar de materialen worden samengevoegd. Anders wordt het materiaal vervormd om te passen bij de laag eronder. Kleine vervormingen zijn geen probleem, maar als het topmateriaal te dik wordt en de vervorming te sterk wordt, raken atomen zo slecht uitgelijnd dat ze de LED-efficiëntie verminderen. De meest populaire materialen voor blauwe en witte LED's zijn tegenwoordig InGaN omgeven door lagen GaN. Helaas, de roosterparameter van InGaN komt niet overeen met GaN. Dit maakt het groeien van dikkere InGaN-lagen om elektronenbotsingen te verminderen een uitdaging.

Williams en Kioupakis ontdekten dat door boor in deze middelste InGaN-laag op te nemen, de roosterparameter wordt veel meer vergelijkbaar met GaN, zelfs precies hetzelfde worden voor sommige concentraties boor. In aanvulling, ook al is er een geheel nieuw element in het materiaal verwerkt, de golflengte van het licht dat door het BInGaN-materiaal wordt uitgezonden, ligt zeer dicht bij die van InGaN en kan worden afgestemd op verschillende kleuren in het hele zichtbare spectrum. Dit maakt BInGaN geschikt om in dikkere lagen te kweken, het verminderen van elektronenbotsingen en het verhogen van de efficiëntie van de zichtbare LED's.

Hoewel dit materiaal veelbelovend is om efficiëntere LED's te produceren, het is belangrijk dat het in het laboratorium gerealiseerd kan worden. Williams en Kioupakis hebben ook aangetoond dat BInGaN op GaN kan worden gekweekt met behulp van de bestaande groeitechnieken voor InGaN, waardoor snel testen en gebruik van dit materiaal voor LED's mogelijk is. Nog altijd, de belangrijkste uitdaging bij het toepassen van dit werk zal zijn om te verfijnen hoe borium het beste in voldoende hoge hoeveelheden in InGaN kan worden opgenomen. Maar dit onderzoek biedt een opwindende mogelijkheid voor experimentatoren om te ontdekken hoe nieuwe LED's kunnen worden gemaakt die krachtig, efficiënt, en tegelijkertijd betaalbaar.