陷阱辅助的俄勒-迈特纳复合暴露为LED的主要损耗机制

缺陷通常会限制发光二极管 （LED） 等器件的性能。缺陷湮灭电荷载流子的机制在发射红色或绿色波长光的材料中得到了很好的理解，但在较短波长（蓝色或紫外线）发射器中缺乏对这种损失的解释。

然而，加州大学圣巴巴拉分校材料系的研究人员最近发现了奥格-迈特纳效应的关键作用，这种机制允许一个电子通过将另一个电子踢到更高的能量状态来失去能量。

“众所周知，缺陷或杂质 – 统称为’陷阱’ – 会降低LED和其他电子设备的效率，”材料教授Chris Van de Walle说，他的小组进行了这项研究。

新方法表明，陷阱辅助的Auger-Meitner效应可以产生比以前考虑的其他机制引起的损失率高几个数量级的损失率，从而解决了缺陷如何影响蓝光或紫外光发射器效率的难题。研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。 

对这种现象的观察可以追溯到1950年代，当时贝尔实验室和通用电气的研究人员观察到它对晶体管的不利影响。Van de Walle解释说，电子可能会被缺陷捕获，并且无法在器件中发挥其预期作用，无论是放大晶体管中的电荷还是通过将其与LED中的空穴（未占用的低能量状态）重新组合来发光。在这个重组过程中损失的能量被假定以声子的形式释放，即加热器件的晶格振动。

Van de Walle的小组之前已经对这种声子介导的过程进行了建模，发现它适当地拟合了在光谱的红色或绿色区域发光的LED中观察到的效率损失。但是，对于蓝色或紫外线 LED，该模型失败;电子在这些较短波长下携带的大量能量根本无法以声子的形式消散。

“这就是Auger-Meitner过程的用武之地，”Van de Walle小组的博士后研究员，该项目的首席研究员Fangzhou Zhao解释说。研究人员发现，电子不是以声子的形式释放能量，而是将其能量转移到另一个被踢到更高能量状态的电子。这个过程通常被称为俄歇效应，以皮埃尔·奥格（Pierre Auger）的名字命名，他在1923年报道了这一过程。然而，莉丝·迈特纳（Lise Meitner）在她的一生中从未得到适当的认可，她的许多成就在她的一生中从未得到适当的认可，她已经在1922年描述了同样的现象。

加州大学圣巴巴拉分校材料教授詹姆斯·斯佩克（James Speck）的实验工作之前曾提出，陷阱辅助的Auger-Meitner过程可能发生;然而，仅基于测量结果，很难严格区分不同的复合通道。赵和他的合作研究人员开发了一种第一性原理方法，结合尖端计算，最终确定了Auger-Meitner过程的关键作用。在商用LED中使用的关键材料氮化镓的情况下，结果显示陷阱辅助复合速率比仅考虑声子介导过程高出十亿倍以上。显然，并非每个陷阱都会显示出如此巨大的增强功能;但是有了新方法，研究人员现在可以准确地评估哪些缺陷或杂质实际上对效率有害。

“计算形式主义是完全通用的，可以应用于半导体或绝缘材料中的任何缺陷或杂质，”参与该项目的Van de Walle小组的另一位博士后研究员Mark Turiansky说。研究人员希望这些结果将增加对半导体光发射器中复合机制的理解，而且将增加对缺陷限制效率的任何宽带隙材料的理解。

该研究得到了能源部基础能源科学办公室和国防部范尼瓦尔·布什教师奖学金的支持，该奖学金于 2022 年授予范德瓦勒。赵是艾林斯奖博士后奖学金的获得者。计算在国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行。