Loading article…
半導体物理学における定義では、キャリア寿命とは、少数キャリアが再結合するのにかかる平均時間として定義されます。このプロセスは一般的に少数キャリア再結合と呼ばれます。
再結合によって放出されるエネルギーは、熱エネルギーとして半導体を加熱するもの（熱再結合または非放射再結合、半導体における廃熱源の一つ）と、光子として放出されるもの（光再結合、LEDや半導体レーザーで利用される）がある。キャリア寿命は、半導体の材料や構造によって大きく異なる。
キャリア寿命は、バイポーラトランジスタや太陽電池において重要な役割を果たす。
間接バンドギャップ半導体では、キャリア寿命は再結合中心の濃度に大きく依存します。金原子は非常に効率的な再結合中心として機能するため、高速スイッチングダイオードやトランジスタ用のシリコンには少量の金が合金化されています。鉄やニッケルなど、他の多くの原子も同様の効果があります。[ 1 ]
実際の応用においては、半導体の電子バンド構造は通常、非平衡状態にある。そのため、熱平衡に向かうプロセス、すなわちキャリア再結合のメカニズムが常に重要な役割を果たす。
さらに、デバイスに使用される半導体は、純粋な半導体であることは非常にまれです。多くの場合、ドーパントが使用され、バンド構造内に過剰な電子（いわゆるn型ドーピング）または正孔（いわゆるp型ドーピング）が生じます。これにより、多数キャリアと少数キャリアが導入されます。このため、ドーパントを含む多くの半導体デバイスでは、キャリア寿命が重要な役割を果たします。
少数キャリアが再結合するメカニズムはいくつかあり、それぞれがキャリア寿命を短縮します。現代のデバイスで重要な役割を果たす主なメカニズムは、放射再結合の一種であるバンド間再結合と誘導放出、そして非放射再結合の一種であるショックレー・リード・ホール（SRH）再結合、オージェ再結合、ランジュバン再結合、表面再結合です。
システムによっては、特定のメカニズムが他のメカニズムよりも大きな役割を果たす場合があります。[ 2 ]放射再結合は、発光効率を直接決定するため、発光ダイオード（LED）にとって特に重要です。したがって、高い内部量子効率を達成するには、非放射経路に対する放射再結合の割合を最大化することが不可欠です。対照的に、欠陥関連のショックレー・リード・ホール再結合とオージェ再結合は、光を生成せずにキャリア寿命を短縮するため、特に高電流密度ではLEDの性能を制限します。高度な時間分解発光技術は、GaNなどの光電子材料におけるこれらの再結合の寄与とキャリア寿命への影響を分離および定量化するために使用されています。[ 3 ]光起電力では、表面再結合が太陽電池で重要な役割を果たしており、非放射再結合を最小限に抑えるために表面をパッシベーションすることに多くの努力が注がれています。[ 4 ]これとは対照的に、ランジュバン再結合は、半導体の移動度が低い有機太陽電池で主要な役割を果たしています。 [ 5 ]これらのシステムでは、キャリア寿命を最大化することは、デバイスの効率を最大化することと同義である。[ 6 ]
太陽電池は、半導体に光を照射することで光起電力効果によって電気エネルギーに変換する電気デバイスです。電子は光の吸収によって励起されるか、あるいは材料のバンドギャップエネルギーが満たされる場合には電子-正孔対が生成されます。同時に、電圧が発生します。太陽電池内の電荷キャリアは、この電圧を打ち消すために半導体内を移動します。この電圧は、電子を移動させるドリフト力です。また、電子は拡散によって、電子濃度が高い場所から低い場所へと移動させられることもあります。
太陽電池の効率を最大化するには、できるだけ多くの電荷キャリアを太陽電池の電極に集めることが望ましい。そのため、電子の再結合（効率に影響を与える他の要因の中でも特に）を避ける必要がある。これはキャリア寿命の増加に対応する。表面再結合は太陽電池の上部で発生するため、長期間光にさらされても影響を受けないように、優れた表面パッシベーション特性を持つ材料の層を持つことが望ましい。 [ 7 ]さらに、異なる半導体材料を積層する同じ方法を使用して電子の捕獲確率を低減し、トラップアシストSRH再結合の減少とキャリア寿命の増加をもたらす。間接バンドギャップ構造を持つ半導体材料を持つ太陽電池では、放射（バンド間）再結合は無視できる。オージェ再結合は、低ドーピング率で過剰電子の濃度が大きくなると、太陽電池の制限要因となる。そうでなければ、ドーピングに依存するSRH再結合は、太陽電池における電子のキャリア寿命を短縮する主要なメカニズムの1つである。[ 8 ]
バイポーラ接合トランジスタ（BJT）は、電子と正孔を電荷キャリアとして利用できるトランジスタの一種です。BJTは、回路にn型とp型の2種類の半導体からなる単結晶材料を使用します。これらの2種類のドーピングされた半導体は、エミッタ領域、ベース領域、コレクタ領域の3つの異なる領域にそれぞれ配置されています。エミッタ領域とコレクタ領域はドーピング量が異なりますが、ドーピングの種類は同じで、ベース領域を共有しています。そのため、このシステムは直列接続された2つのダイオードとは異なります。PNPトランジスタの場合、これらの領域はそれぞれp型、n型、p型であり、NPNトランジスタの場合、これらの領域はそれぞれn型、p型、n型です。
一般的な順方向アクティブ動作のNPNトランジスタでは、エミッタからベース領域への最初の接合部を介した電荷キャリアの注入により、電子がベース領域を拡散的に移動してコレクタ領域へと運ばれます。これらはベース領域の少数キャリアです。同様に、PNPトランジスタでは、電子正孔がベース領域の少数キャリアとなります。
これらの少数キャリアの寿命は、2つの接合部の間に存在するベース領域における少数キャリアの電荷の流れに重要な役割を果たします。BJTの動作モードによっては、ベース領域での再結合が促進される場合と、回避される場合があります。
特に、前述の順方向アクティブ動作モードでは、再結合は好ましくありません。そのため、少数キャリアが再結合する前に、できるだけ多くの少数キャリアをベース領域からコレクタ領域に移動させるには、少数キャリアが半導体の少数キャリア寿命よりも短い時間で拡散できるほど、ベース領域の幅を十分に小さくする必要があります。言い換えれば、ベース領域の幅は、電荷キャリアが再結合するまでに移動する平均距離である拡散長よりも小さくなければなりません。さらに、高い再結合率を防ぐために、ベース領域はエミッタ領域およびコレクタ領域に比べてわずかにドーピングされています。この結果、電荷キャリアがベース領域に留まる確率は低くなります。ベース領域は、電荷キャリアがより低いエネルギー状態に再結合する際に好ましい占有領域です。
高速スイッチングなどの他の動作モードでは、高い再結合率（したがって短いキャリア寿命）が望ましい。適切なキャリア寿命を実現するためには、望ましい動作モードと、ドープされたベース領域の関連する特性を考慮する必要がある。現在、シリコンと炭化ケイ素がほとんどのBJTで使用されている材料である。[ 9 ]ベース領域で考慮しなければならない再結合メカニズムは、ベース-エミッタ接合付近の表面再結合、およびベース領域でのSRH再結合とオージェ再結合である。具体的には、注入された電荷キャリアの量が増加するとオージェ再結合が増加し、注入数の増加に伴って電流利得の効率が低下する。
半導体レーザーにおいて、キャリア寿命とは、電子がレーザー共振器内で非放射過程を経て再結合するまでの時間を指します。速度方程式モデルの枠組みでは、キャリア寿命は電荷保存方程式において、キャリアの指数関数的減衰の時定数として用いられます。
キャリア寿命のキャリア密度依存性は次のように表される。[ 10 ]
ここで、A、B、Cは非放射再結合係数、放射再結合係数、オージェ再結合係数であり、キャリアの寿命です。
半導体デバイスの効率は一般的にキャリア寿命に依存するため、この量を測定できることが重要です。測定方法はデバイスによって異なりますが、通常は電流と電圧の測定に依存します。
太陽電池では、キャリア寿命は、セルの表面に光を照射してキャリア生成を誘発し、電圧が平衡に達するまで上昇させ、その後光源を消灯することによって計算できます。これにより、電圧は一定の速度で減衰します。電圧の減衰速度は、単位時間あたりに再結合する少数キャリアの量によって決まり、再結合するキャリアの量が多いほど減衰が速くなります。したがって、キャリア寿命が短いほど、電圧の減衰が速くなります。つまり、太陽電池のキャリア寿命は、その電圧減衰速度を調べることによって計算できます。[ 11 ]このキャリア寿命は一般的に次のように表されます。[ 12 ]
どこはボルツマン定数、qは素電荷、Tは温度、は開回路電圧の時間微分です。
バイポーラ接合トランジスタ（BJT）では、キャリア寿命の決定は、かなり複雑です。具体的には、出力コンダクタンスと逆相互コンダクタンスを測定しなければなりません。これらはどちらも、BJTを流れる電圧と電流に依存する変数です。また、少数キャリアの通過時間を計算する必要があります。これは、BJTの準中性ベース（QNB）の幅と拡散係数によって決まります。拡散係数は、BJT内の原子の移動を定量化する定数です。[ 13 ]このキャリア寿命は次のように表されます。[ 14 ]
どこそしてはそれぞれ、出力コンダクタンス、逆方向相互コンダクタンス、QNBの幅、拡散係数である。
キャリア寿命が長いほどデバイスの効率が向上することが多いため、研究は少数キャリアの再結合に寄与するプロセスを最小限に抑えることに重点を置く傾向がある。実際には、これは一般的に半導体内部の構造欠陥を低減するか、あるいは同じ再結合メカニズムの影響を受けない新しい方法を導入することを意味する。
特に一般的な結晶シリコン太陽電池では、透明導電膜を塗布する際にセルに生じる構造的損傷が重要な制限要因となります。これは、スパッタリング法の一種である反応性プラズマ堆積法によって行われます。この膜を塗布する過程で、シリコン層に欠陥が生じ、キャリア寿命が低下します。[ 15 ]したがって、このプロセス中に生じる損傷量を減らすことは、太陽電池の効率を高めるために重要であり、現在の研究の焦点となっています。[ 16 ]
現在好まれている技術の最適化を目指す研究に加えて、ペロブスカイト太陽電池（PSC）のような、あまり利用されていない他の技術に関する研究も数多く行われている。この太陽電池は、比較的安価で製造プロセスがシンプルなため好ましい。最新の進歩によれば、この太陽電池のキャリア寿命を改善する余地はまだ十分にあり、その問題のほとんどは構造に関連している。[ 17 ]
太陽電池に加えて、ペロブスカイトはLED、レーザー、トランジスタの製造にも利用できます。このため、鉛およびハロゲン化物ペロブスカイトは現代の研究において特に注目されています。現在の問題点としては、この材料で半導体デバイスを製造する際に発生する構造欠陥が挙げられます。結晶に関連する転位密度はキャリア寿命に悪影響を及ぼします。[ 18 ]
