Эффект Оже-Мейтнера с помощью ловушки позволяет передавать энергию другому электрону.
Кредит: Фанчжоу Чжао

Дефекты часто ограничивают производительность таких устройств, как светоизлучающие диоды (СИД). Механизмы, с помощью которых дефекты аннигилируют носители заряда, хорошо изучены в материалах, излучающих свет в красной или зеленой длинах волн, но объяснение таких потерь в более коротковолновых (синих или ультрафиолетовых) излучателях отсутствовало.

Однако исследователи из отдела материалов Калифорнийского университета в Санта-Барбаре недавно открыли решающую роль эффекта Оже-Мейтнера — механизма, который позволяет электрону терять энергию, переводя другой электрон в состояние с более высокой энергией.

«Хорошо известно, что дефекты или примеси — в совокупности называемые «ловушками» — снижают эффективность светодиодов и других электронных устройств», — сказал профессор материалов Крис Ван де Валле, чья группа проводила исследование.

Новая методология показала, что эффект Оже-Мейтнера с помощью ловушек может приводить к потерям, которые на порядки выше, чем те, которые вызваны другими ранее рассмотренными механизмами, тем самым решая загадку того, как дефекты влияют на эффективность излучателей синего или ультрафиолетового света. Выводы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Наблюдения за этим явлением относятся к 1950-м годам, когда исследователи из Bell Labs и General Electric наблюдали его пагубное воздействие на транзисторы. Ван де Валле объяснил, что электроны могут попасть в ловушку на дефектах и стать неспособными выполнять предназначенную им роль в устройстве, будь то усиление заряда в транзисторе или испускание света путем рекомбинации его с дыркой (незанятое состояние с более низкой энергией) в ВЕЛ. Предполагалось, что энергия, теряемая в этом процессе рекомбинации, выделяется в виде фононов, т. е. колебаний решетки, нагревающих прибор.

Группа Ван де Валле ранее смоделировала этот процесс, опосредованный фононами, и обнаружила, что он должным образом соответствует наблюдаемой потере эффективности в светодиодах, излучающих свет в красной или зеленой областях спектра. Однако для синих или ультрафиолетовых светодиодов модель не удалась; большее количество энергии, переносимой электронами на этих более коротких длинах волн, просто не может быть рассеяно в виде фононов.

«Именно здесь вступает в действие процесс Оже-Мейтнера», — объяснил Фанчжоу Чжао, научный сотрудник группы Ван де Валле и ведущий исследователь проекта. Исследователи обнаружили, что вместо того, чтобы высвобождать энергию в виде фононов, электрон передает свою энергию другому электрону, который переходит в более высокое энергетическое состояние. Этот процесс часто называют эффектом Оже в честь Пьера Оже, который сообщил о нем в 1923 году. Однако Лиза Мейтнер, многие достижения которой так и не получили должного признания при ее жизни, уже описала то же явление в 1922 году.

Экспериментальная работа в группе профессора материалов Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джеймса Спека ранее предполагала, что могут происходить процессы Оже-Мейтнера с участием ловушек; однако, основываясь только на измерениях, трудно провести строгое различие между различными каналами рекомбинации. Чжао и его коллеги разработали методологию из первых принципов, которая в сочетании с передовыми вычислениями окончательно установила решающую роль процесса Оже-Мейтнера. В случае нитрида галлия, ключевого материала, используемого в коммерческих светодиодах, результаты показали скорость рекомбинации с участием ловушек, которая была более чем в миллиард раз выше, чем если бы рассматривался только процесс, опосредованный фононами. Ясно, что не каждая ловушка покажет такие огромные улучшения; но с новой методологией в руках,

«Вычислительный формализм является полностью общим и может быть применен к любому дефекту или примеси в полупроводниковых или изоляционных материалах», — сказал Марк Туриански, другой научный сотрудник группы Ван де Валле, участвовавший в проекте. Исследователи надеются, что эти результаты улучшат понимание механизмов рекомбинации не только в полупроводниковых излучателях света, но и в любом широкозонном материале, в котором дефекты ограничивают эффективность.