[科普中国]-俄歇复合

俄歇复合是指俄歇跃迁相应的复合过程。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。

简介半导体中，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1。

数据实验表明，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。

展望在俄歇（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。

美国加州大学圣塔芭芭拉分校(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2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学