Por primera vez, un grupo de investigación internacional ha revelado el mecanismo principal que limita el contenido de Indio (In) en capas delgadas de nitruro de galio-indio (InGaN), el material clave para realizar los actuales LEDs utilizados para iluminación general.

El InGaN es el material semiconductor que forma parte de una de las capas emisores de luz de los modernos LEDs de color azul. La longitud de onda emitida por estos LEDs puede ser controlada dependiendo de la cantidad de indio utilizada, así como variando el espesor de las capas de InGaN, las cuales normalmente son de 2 a 3 nm. Por tanto, aumentar los contenido de Indio en los pozos cuánticos de InGaN es el enfoque tradicional utilizado para cambiar la emisión de los LEDs hacia la parte verde y, en particular la parte roja del espectro óptico, necesaria para el desarrollo de los dispositivos RGB modernos. El problema de este enfoque clásico es que sólo se pueden conseguir concentraciones de Indio de hasta el 30% de forma estable, reduciendo severamente la capacidad de ajuste de los LEDs basados en InGaN y el poder obtener LEDs verdes y rojos eficientes.

Pese a la intensa labor de investigación desarrollada en los últimos años en este campo, el enigma de por qué no se podía superar este límite del 30% no ha sido descubierto. ¿Es un problema de encontrar las condiciones de crecimiento correctas o más bien es un efecto fundamental que no se puede superar?. La nueva investigación desarrollada por un equipo internacional de Alemania, Polonia y China han logrado arrojar luz sobre esta incógnita, revelando el mecanismo responsable de esta limitación.

BUSCANDO LOS LÍMITES DE LA CONCENTRACIÓN DE INDIO

En su trabajo, los científicos trataron de llevar el contenido de Indio al límite mediante el cultivo de capas atómicas individuales de nitruro de indio InN y nitruro de Galio GaN. Sin embargo, independientemente de las condiciones de crecimiento, las concentraciones de Indio nunca han excedido del 25-30% – un claro signo de un mecanismos fundamental limitante.

Los investigadores, utilizando métodos avanzados de caracterización, descubrieron que, tan pronto como el contenido de indio alcanzaba alrededor del 25%, los átomos dentro de la monocapa de InGaN se organizaban en un patrón regular – una columna atómica única de indio alternada con 2 columnas de átomos de galio. Cálculos teóricos exhaustivos revelaron que el ordenamiento atómico es inducido por una reconstrucción superficial particular: los átomo de indio están unidos con cuatro átomos vecinos, en lugar de los tres esperados. Esto crea vínculos más fuertes entre los átomos de indio y nitrógeno, lo que, por un lado, permite usar temperaturas más altas durante el crecimiento y proporciona un material de mayor calidad. Por otro lado, la ordenación establece el límite de contenido del 25%, que no se puede superar en condiciones de crecimiento realistas.

“Aparentemente, un cuello de botella tecnológico obstaculiza los intentos de cambiar la emisión del verde hacia las regiones amarillas y rojas del espectro. Por lo tanto, se requieren urgentemente nuevas vías originales para superar estas limitaciones fundamentales”, afirma el Dr. Tobias Schulz, científicos del Leibniz-Institut für Kristallzüchtung; “Por ejemplo, el crecimiento de capas de InGaN en pseudo-sustratos de InGaN de alta calidad que reducirían la tensión entre las capas de crecimiento”

De todas formas, el descubrimiento de esta ordenación puede ayudar a superar las conocidas limitaciones del sistema de materiales InGaN. El crecimiento estable de las aleaciones de InGaN con una composición fija a altas temperaturas podría mejorar las propiedades ópticas de los dispositivos.

El trabajo es el resultado de la colaboración entre el Instituto Leibniz Kristallzüchtung (Alemancia), el Instituto Max-Planck Esisenforschung (Alemania), el Instituto Paul-Drude  Festkörperelektronik (Alemania), el Instituto de Física de Alta Presión (Polonia) y el Laboratorio Principal de Microestructura Artificial y Física Mesoscópica (China).