JACS：宽禁带半导体中双能级增强的载流子非辐射复合

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

半导体材料中导带电子与价带空穴通过带隙内缺陷能级完成的非辐射复合（复合过程不辐射光子而是以辐射声子的形式释放能量）是降低光电器件性能的主要机制之一。最近，北京计算科学研究中心的魏苏淮教授团队与中国科学院半导体研究所邓惠雄研究员团队研究了宽禁带半导体中的缺陷导致的非辐射复合机制，提出宽禁带半导体中双能级增强的非辐射复合是一个普遍存在的机制。

早在上世纪50年代，三位著名的半导体物理学家Shockley、Read和Hall就提出了理解半导体材料中非辐射复合的经典单能级Shockley-Read-Hall（SRH）模型。SRH模型指出缺陷能级俘获某一类型载流子的能力可以粗略的正比于缺陷能级与带边的距离。具体来说，当缺陷能级靠近价带顶时，更容易地俘获价带中的空穴而较难俘获导带中的电子。相反，当缺陷能级靠近导带底时，更容易俘获导带电子而较难俘获价带中的空穴。因此，半导体材料中的深缺陷能级通常被认为是更有效的非辐射复合中心，因为深缺陷能级与导带底和价带顶的距离相当，可以最大化的即俘获电子又俘获空穴。有趣的是，根据经典SRH模型的理解，宽禁带半导体中的缺陷能级要么远离价带顶而难以俘获导带电子，要么远离导带底而难以俘获价带空穴，或者同时远离导带底和价带顶导致价带空穴与导带电子都难以被俘获。因此在宽禁带半导体中似乎不存在有效的非辐射复合中心，但这与实验上许多宽禁带半导体中强非辐射复合现象相悖。迄今为止，对宽禁带半导体中强非辐射复合效应的物理机制还不清楚，亟需进一步研究以获得更全面的理解。

图1.（a）双亚稳态缺陷结构增强载流子非辐射复合示意图。（b）非晶SiO₂中氧空位非辐射复合过程示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

北京计算科学研究中心魏苏淮教授团队、中国科学院半导体研究所邓惠雄研究员团队与内江师范大学宋宇博士合作，基于对SiO₂中氧空位缺陷非辐射复合性质的研究，成功解释了宽禁带半导体中强非辐射复合的物理起源。他们发现，由于宽禁带半导体中缺陷态更为局域化，当缺陷电荷状态发生改变时，缺陷周围的局部结构会发生显著的结构畸变。这意味着每个缺陷电荷态可以表现出多个不同的局部结构，包括一个稳定结构与一些亚稳态结构或过渡态。亚稳态结构引入了双能级，使电子的俘获能级可以更接近导带底，空穴的俘获能级更接近价带顶。这显著增加了电子和空穴的俘获速率，加强了整个非辐射复合过程，可以很好的解释实验观察结果。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是北京计算科学研究中心博士研究生邱晨。

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Dual-Level Enhanced Nonradiative Carrier Recombination in Wide-Gap Semiconductors: The Case of Oxygen Vacancy in SiO₂

Chen Qiu, Yu Song*, Hui-Xiong Deng*, and Su-Huai Wei*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 24952–24957, DOI: 10.1021/jacs.3c09808

魏苏淮教授简介

魏苏淮，北京计算科学研究中心讲席教授，材料与能源研究部主任。1985年于美国威廉玛丽学院取得博士学位，1985年至2015年在美国国家可再生能源实验室（NREL）工作，担任过NREL理论研究室主任、国家实验室Fellow。2015年起作为国家级专家全职加入北京计算科学研究中心。

研究方向是固体理论、半导体物理、计算材料。在相关领域发表SCI论文570余篇，包括73篇Phys. Rev. Lett.等。被引用次数超过74000余次，H因子134。1999年当选美国物理学会会士（APS Fellow），2014年当选美国材料学会会士（MRS Fellow）。

邓惠雄研究员简介

邓惠雄，研究员，国科大岗位教授。2010年于中国科学院半导体研究所取得博士学位，2011年至2014年，在美国可再生能源国家实验室从事博士后研究。2014年2月回到中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室工作至今。

研究领域是半导体物理、半导体缺陷物理、半导体材料与器件的物性探究与设计。在相关领域发表SCI论文90余篇，期刊包括Science, Nat. Energy, Nat. Comm., Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, Adv. Mater.等。曾获得国家自然科学基金委优秀青年基金支持（2019），2021年入选中科院青促会优秀会员。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究最初旨在探究宽禁带半导体中强非辐射复合效应的物理起源。这一构想源自于在辐照条件中观察到的SiO₂中的非辐射复合效应导致硅基器件的性能衰退。尽管过去几十年对SiO₂中氧空位缺陷进行了广泛研究，并明确了氧空位在中性和带正电状态下均呈现一个稳定的结构和一个亚稳定结构，但研究者们普遍认为SiO₂中的非辐射复合过程是通过单一缺陷能级完成的，并认为氧空位缺陷的两种构型都是有效的非辐射复合中心。这一观点与传统的Shockley-Read-Hall模型所预期的宽禁带半导体中不存在有效的非辐射复合中心存在矛盾。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？

A：非辐射复合是影响光电器件发光效率的主要机制之一。第三代宽禁带半导体具有宽带隙、发光效率高和高频率特性，因此在制备高温、高频、抗辐射及高功率器件中具有广泛的应用前景。然而，非辐射复合效应将降低这些器件性能。我们相信这项研究成果提供了理解宽禁带半导体中强非辐射复合效应的机制，并可以在理论上协助实验设计，以最大程度地减小非辐射复合对这些器件性能的影响。