半导体中,无论是直接复合、间接复合,还是激子复合,都会有动量和能量的吸收或释放,根据跃迁释放或者吸收能量和动量的形式,分为辐射跃迁、声子跃迁和俄歇跃迁。俄歇跃迁相应的复合过程可以称为俄歇复合。
俄歇效应是三粒子效应,在半导体中,电子与空穴复合时,把能量或者动量,通过碰撞转移给另一个电子或者另一个空穴,造成该电子或者空穴跃迁的复合过程叫俄歇复合。这是一种非辐射复合,是“碰撞电离”的逆过程。
这种复合不同于带间直接复合,也不同于通过复合中心的间接复合(Shockley-Hall-Read复合)。Auger复合是电子与空穴直接复合、而同时将能量交给另一个自由载流子的过程。Auger复合牵涉到3个粒子的相互作用问题。通常Si中载流子的寿命决定于通过复合中心的间接复合过程(因为SHR寿命最短)。
对于
N型半导体,少数载流子(空穴)的Auger复合
寿命与多数载流子(电子)浓度的平方成反比,即τA ∝ 1/ n。在重掺杂时,电子浓度n很大,则τA的数值很小,即俄歇复合将使得少数载流子的寿命大大降低。
实验表明,在Si发射区掺杂浓度>10cm 时,Auger复合寿命将小于Shockley-Hall-Read复合寿命(SHR复合寿命的典型值为10s )。则这时发射区少子的寿命即由τA很小的Auger过程决定;从而使得发射区的少子扩散长度减短,导致注射效率降低。
在俄歇(Auger)效应中,电子与空穴复合时,将多余的能量传给第二个电子而不是发射光。然后,第二个电子通过发射声子弛豫回到它初始所在的能级。俄歇复合就是更熟悉的碰撞电离效应的逆过程。对具有充足的电子和空穴的材料来说,直接带隙材料的复合寿命比间接带隙材料的小得多。利用GaAs及其为材料的商用
半导体激光器和光发射二极管就是以辐射复合过程作为基础的。但对硅来说,其它的复合机构远比这重要得多。
美国
加利福尼亚大学圣巴巴拉分校(UCSB)的研究团队宣称通过第一原理计算发现,对于以GaN为主的发光二极管(led),俄歇复合(Auger recombination)是其效率下降(led droop)与绿色缺口(green gap)的主要原因,可惜并未同时提出有效的解决方法。led droop是指在较高电流操作下,发光二极管的外部量子效率会下降。UCSB的Kris Delaney, Patrick Rink及Chris Van deWalle计算显示,效率下降的祸首是俄歇复合,它是一种非辐射式的复合行为,在2.5eV(对应波长为0.5 μm)时达到颠峰。这同时也解释了“绿色缺口”——即波长从蓝光进入绿光波段时,led的量子效率会下降的由来。稍早led制造商Philips Lumileds根据实验结果主张,俄歇复合是在较高电流下效率下降的主因,这种非辐射式复合过程牵涉到三个载子的交互作用,其中至少包含一个电子与一个空穴。
UCSB的计算结果支持这种说法,而不像其它理论研究团队认为俄歇复合对于led droop的影响可以忽略,个中的差异在于采用不同的氮化物能带结构:UCSB团队找到第二条导带(conduction band),并纳入计算中。UCSB团队的氮化镓能带结构是利用
密度泛函理论(density-functional theory)结合
多体微扰理论(many-body perturbation theory)所计算得到。接着他们采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法,计算了超过4千万个步骤的统计平均,才得到俄歇复合速率。随着led droop的机制被发现,未来的研究方向将聚焦于去除或降低俄歇复合所造成的损失。UCSB团队在论文中讨论了三种降低损失的方法,但都有缺点。其中一个方法是将氮化钾长成闪锌矿(zinc-blende)晶格结构而非一般的纤锌矿(wurtzite)结构,因为这可以将第二条导带推到能量较高的位置,但是要长出高质量的闪锌矿结构并非易事。其它作法包括利用应力或是改变InGaAlN的比例去调整能带结构,不过计算显示,这些变化都不会明显提升led的表现。