对非辐射机制的新见解

在基于GaN的较短波长LED中，陷阱辅助工艺会造成缺陷相关损耗

LED的一大谜团是：较短波长下，缺陷如何影响效率？几十年来，众所周知因缺陷处和涉及多声子发射的非辐射复合过程，LED发出的红光和绿光受到阻碍。但此过程随带隙降低而呈指数下降，那么对蓝光和紫外线发射器至关重要的缺陷相关机制是什么？

加州大学圣芭芭拉分校的计算科学家团队回答了这个有趣的问题，该团队以chris Van de Walle为首。

Van de Walle评论道：“我们新开发的方法表明，与仅基于多声子发射的机制相比，陷阱辅助Auger-Meitner效应的损耗率要大几个数量级，从而解决了缺陷如何造成宽带隙材料损耗这一难题。”

这种新型损耗机制与通常被称为Auger的过程很相似，1923年，Pierre Auger公布了Auger过程，但在1922年，Lise Meitner也对此过程进行过描述，Lise Meitner是一位取得了许多成就的女性物理学家，近期才开始获得应得的认可。许多人认为Auger-Meitner过程是LED光效下降的原因，这个过程涉及电子与空穴的结合，从而使第二个电子或空穴的能态提升。与此同时，UCSB团队刚证实，在短波长LED中，相关陷阱辅助Auger-Meitner过程发挥着关键作用，其中涉及电子或空穴在缺陷或杂质处的定位。

在基于GaN的LED中，高密度处存在扩展缺陷，如穿透位错，因此对这些器件的内部量子效率而言，扩展缺陷好像几乎不会造成直接影响。因此，为了提高器件效率，需要关注点缺陷，如原生缺陷或杂质，而Van de Walle及其同事正在考虑这类缺陷。

该团队在计算中考虑了钙杂质。已证实在MBE生长的GaN LED中，钙是一种杂质，干扰物是晶圆抛光期间引入的。MBE生长过程中，钙似乎一直停留在表面，直到InGaN层沉积。然而，这种杂质似乎不会妨碍MOCVD生长LED，因为不同外延条件会阻止钙停留在表面，而有源区域下方的InGaN层也会捕获钙。

据该团队计算，针对GaN中钙杂质，与仅基于多声子发射的复合过程相比，采用陷阱辅助Auger-Meitner过程的缺陷辅助复合过程要快11个数量级（见图）。

电流密度高时，大部分是Auger-Meitner过程占主导地位，因为Auger-Meitner过程与载流子密度的三次方成比例。但载流子密度适中时，陷阱辅助复合过程才是最显著的损耗机制。

一些研究人员可能想在描述LED行为的ABC模型中添加一个非辐射“B”术语，但Van de Walle警告说，这样就过于简单化了。“想充分描述陷阱处的非辐射复合过程，需要包括电子捕获和空穴捕获。最常见的情况是，其中一个捕获过程由陷阱辅助Auger-Meitner造成，而另一个捕获过程仍然由多声子发射造成。”因此，线性和二次贡献都在起作用。

目前，Van de Walle及其同事正在完善这项研究，重审可能导致宽带隙材料效率损耗的备选缺陷和杂质，但之前未考虑这些缺陷和杂质，因为仅基于多声子发射时，其速率太低。此外，研究人员正在研究陷阱辅助Auger-Meitner过程，其中陷阱具有多个束缚态。Van de Walle解释道，“同样，仅考虑多声子发射时，此类缺陷的非辐射复合率低，因此我们很想弄清引入陷阱辅助Auger-Meitner能否改变这一点。”

图片说明：多声子发射过程表示为RMPE，该过程无法解释短波长LED中缺陷相关损耗。为解释这种损耗，必须引入陷阱辅助Auger-Meitner过程，该过程表示为RTOT。

参考文献

Zhao. et al. Phys. Rev. Lett. 131 056402 (2023)

 

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