マイノリティ・キャリアの寿命
少数キャリア寿命は、最も重要かつ意義深い材料パラメータの一つである。これは、ごく微量の不純物や固有欠陥に対しても極めて敏感に反応するため、材料品質のインライン評価やプロセス制御を行う上で理想的なパラメータとなる。また、多くの半導体デバイスの性能にとって極めて重要な要素である。 少数キャリア寿命とは、過剰な少数キャリアが再結合するまでに要する平均時間を指します。これは、半導体内部における再結合プロセスの規模や種類に強く依存します。
主な再結合の種類は以下の通りです：
SRH再結合 ⇒ 欠陥を介して
オージェ再結合 ⇒ 3粒子過程を介して
本質的または放射再結合 ⇒ バンド間を介して
\(\cfrac{1}{\tau_{bulk}} =\cfrac{1}{\tau_{SRH}} + \cfrac{1}{\tau_{Auger}} + \cfrac{1}{\tau_{rad}}\)
シリコンの場合、SRHが主な再結合メカニズムとなることが多い。したがって、バルク内の少数キャリア寿命は、存在する欠陥の数とその再結合特性に依存する。 シリコンではこの寿命は最大1msに達することもあるが、GaAsのような直接型半導体では、固有再結合が支配的であるため、寿命はns～µsの範囲にとどまる。欠陥特性に加え、少数キャリアの寿命は注入レベル（過剰キャリア濃度）およびドーピング濃度にも依存する。 図1および図2は、これらすべての異なる寿命における依存関係を示している。
Fig. 2: injection dependence of all important recombination rates
Fig. 3: doping dependence of all important recombination rates
測定される有効寿命は、バルク寿命と、試料の表面特性に依存する表面寿命から構成されています。したがって、試料のバルク特性を測定したい場合は、表面をパッシベーション処理する必要があります。表面のパッシベーション品質を調査したい場合は、バルク再結合を無視できるため、FZ-Siウェハーを使用することをお勧めします。
\(\cfrac{1}{\tau_{eff}} = \cfrac{1}{\tau_{bulk}} + \cfrac{1}{\tau_{surface}}\)
さらに、測定される有効寿命は測定方法によって異なる。詳細については以下を参照のこと：
[1] S. Rein, 『Lifetime Spectroscopy - A Method of Defect Characterization in Silicon for Photovoltaic Applications』, Vol. 85 (Springer, Berlin Heidelberg, 2005)
[2] D. K. Schroder, 『半導体材料およびデバイスの特性評価』第2版（John Wiley & Sons, ニューヨーク, 1998年）
