载流子寿命是指半导体材料中非平衡载流子在被复合前能够存在的平均时间,它描述了从载流子被产生到消失的这一段时间尺度。
在绝大多数器件分析和材料表征中,“载流子寿命”一词如果不特别说明,指的就是少数载流子寿命
外部光照、偏压或粒子注入等方式都会产生额外的电子-空穴对,但这些非平衡载流子无法永久存在,它们会通过缺陷能级、辐射发光或能量转移等途径复合消失。
载流子寿命越长,意味着材料缺陷和杂质越少,复合速率越低,载流子在材料中迁移的距离越长,更有利于光电器件的效率;
寿命越短,则表明材料的缺陷密度高或复合机制活跃,载流子尚未到达目标区域就已经损失,降低了器件性能。
载流子寿命的物理意义不仅与材料的本征特性相关,还直接反映了材料的结构质量与工艺水平。在数学上,载流子寿命通常满足
其中τSRH 是由缺陷能级引起的 Shockley–Read–Hall 复合寿命,τradiative 是辐射复合寿命,τAuger 是Auger复合寿命。
对于间接带隙材料(如硅),复合主要由缺陷态主导,因此在高纯度和低缺陷条件下可以实现毫秒级寿命;
对于直接带隙材料(如 GaAs、InP),辐射复合是主要机制,寿命往往处于纳秒到微秒级;
宽带隙化合物半导体(如 GaN、SiC)由于缺陷密度较高以及工艺特性,寿命通常更短,但这反而有利于某些需要快速响应或快速关断的应用。
从材料对比来看,高纯单晶硅在浮区法生长的条件下少数载流子寿命可以达到毫秒级,商业区熔或直拉硅的寿命一般在数十微秒到毫秒之间。
锗的带隙较窄,热激发复合更快,寿命通常在微秒级。
砷化镓的寿命在高质量外延中可以达到数十纳秒到百纳秒量级,磷化铟则更短,通常在皮秒到纳秒范围,这种短寿命有利于高速光通信。
氮化镓的寿命一般在数百皮秒到数纳秒,受外延缺陷影响显著;
碳化硅的寿命在掺杂优化和缺陷控制下可达亚微秒到微秒,但在功率器件中常通过电子辐照等手段有意降低寿命以提高开关速度。
在工艺和应用层面,光伏器件需要长寿命以便光生载流子有更多机会到达结区产生电流;
高速光探测器和高速光通信则依赖短寿命来提升响应速度;
LED 和激光器利用直接带隙材料的辐射复合,在较短寿命下实现高光输出;
功率器件则需要在寿命与开关损耗之间进行权衡,通过材料设计与工艺调控在不同应用中实现最优性能。
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