俄歇複合

半導體中，無論是直接複合、間接複合，還是激子複合，都會有動量和能量的吸收或釋放，根據躍遷釋放或者吸收能量和動量的形式，分為輻射躍遷、聲子躍遷和俄歇躍遷。俄歇躍遷相應的複合過程可以稱為俄歇複合。

俄歇效應是三粒子效應，在半導體中，電子與空穴複合時，把能量或者動量，通過碰撞轉移給另一個電子或者另一個空穴，造成該電子或者空穴躍遷的複合過程叫俄歇複合。這是一種非輻射覆合，是“碰撞電離”的逆過程。

這種複合不同於帶間直接複合，也不同於通過複合中心的間接複合（Shockley-Hall-Read複合）。Auger複合是電子與空穴直接複合、而同時將能量交給另一個自由載流子的過程。Auger複合牽涉到3個粒子的相互作用問題。通常Si中載流子的壽命決定於通過複合中心的間接複合過程（因為SHR壽命最短）。

對於N型半導體，少數載流子（空穴）的Auger複合壽命與多數載流子（電子）濃度的平方成反比，即τA ∝ 1/ n。在重摻雜時，電子濃度n很大，則τA的數值很小，即俄歇複合將使得少數載流子的壽命大大降低 ^[1]  。

實驗表明，在Si發射區摻雜濃度>10cm 時，Auger複合壽命將小於Shockley-Hall-Read複合壽命（SHR複合壽命的典型值為10s ）。則這時發射區少子的壽命即由τA很小的Auger過程決定；從而使得發射區的少子擴散長度減短，導致注射效率降低。

在俄歇（Auger）效應中，電子與空穴複合時，將多餘的能量傳給第二個電子而不是發射光。然後，第二個電子通過發射聲子弛豫回到它初始所在的能級。俄歇複合就是更熟悉的碰撞電離效應的逆過程。對具有充足的電子和空穴的材料來説，直接帶隙材料的複合壽命比間接帶隙材料的小得多。利用GaAs及其為材料的商用半導體激光器和光發射二極管就是以輻射覆合過程作為基礎的。但對硅來説，其它的複合機構遠比這重要得多。 

美國加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)的研究團隊宣稱通過第一原理計算發現，對於以GaN為主的發光二極管(led)，俄歇複合(Auger recombination)是其效率下降(led droop)與綠色缺口(green gap)的主要原因，可惜並未同時提出有效的解決方法。led droop是指在較高電流操作下，發光二極管的外部量子效率會下降。UCSB的Kris Delaney, Patrick Rink及Chris Van deWalle計算顯示，效率下降的禍首是俄歇複合，它是一種非輻射式的複合行為，在2.5eV(對應波長為0.5 μm)時達到顛峯。這同時也解釋了“綠色缺口”——即波長從藍光進入綠光波段時，led的量子效率會下降的由來。稍早led製造商Philips Lumileds根據實驗結果主張，俄歇複合是在較高電流下效率下降的主因，這種非輻射式複合過程牽涉到三個載子的交互作用，其中至少包含一個電子與一個空穴。UCSB的計算結果支持這種説法，而不像其它理論研究團隊認為俄歇複合對於led droop的影響可以忽略，箇中的差異在於採用不同的氮化物能帶結構：UCSB團隊找到第二條導帶(conduction band)，並納入計算中。UCSB團隊的氮化鎵能帶結構是利用密度泛函理論(density-functional theory)結合多體微擾理論(many-body perturbation theory)所計算得到。接着他們採用蒙特卡洛(Monte Carlo)法，計算了超過4千萬個步驟的統計平均，才得到俄歇複合速率。隨着led droop的機制被發現，未來的研究方向將聚焦於去除或降低俄歇複合所造成的損失。UCSB團隊在論文中討論了三種降低損失的方法，但都有缺點。其中一個方法是將氮化鉀長成閃鋅礦(zinc-blende)晶格結構而非一般的纖鋅礦(wurtzite)結構，因為這可以將第二條導帶推到能量較高的位置，但是要長出高質量的閃鋅礦結構並非易事。其它作法包括利用應力或是改變InGaAlN的比例去調整能帶結構，不過計算顯示，這些變化都不會明顯提升led的表現 ^[2]  。