说明：本文华算科技主要介绍了半导体中载流子复合的三种机制：辐射复合、非辐射复合和捕获-发射复合，以及它们对载流子寿命、光电转换效率、温度和缺陷的影响。还强调了优化复合机制对提高半导体器件性能的重要性。
载流子复合是指在半导体材料中，电子和空穴等载流子相遇并相互作用，导致它们重新结合成中性粒子，失去原本的导电能力的过程。
这个现象通常发生在外加电场不再作用或载流子浓度过高的情况下。载流子复合是半导体器件中非常重要的物理过程，它不仅影响材料的导电性能，还在太阳能电池、发光二极管等光电器件中起着关键作用（图1）。
复合过程通常表现为电子和空穴的重新结合，最终释放出能量，这一过程中涉及到复杂的物理机制。
图1. 载流子复合机制。DOI: 10.1038/s43588-022-00297-y。
载流子的复合机制通常可以分为三种经典类型：辐射复合、非辐射复合和捕获–发射复合。每种机制在不同的材料和环境条件下主导载流子的复合过程，并对器件性能产生不同的影响。
辐射复合是指电子与空穴在复合过程中释放光子能量的过程。在半导体材料中，当电子从导带跃迁到价带，与空穴复合时，释放出一定能量的光子。此过程发生在直接带隙半导体中较为常见，因为在直接带隙材料中，电子和空穴的复合过程可以有效地通过辐射转移能量。
辐射复合的效率依赖于载流子的浓度、材料的能带结构以及外部环境（如温度）的影响。复合速率可以通过复合系数进行表征，通常与材料的质量和载流子浓度密切相关。辐射复合机制对于光电器件（如激光器、LED等）至关重要，能够决定器件的光输出效率（图2）。
图2. 发光层中的载流子辐射复合提升EQE和CE 。DOI: 10.1038/s41566-025-01793-z。
非辐射复合是指电子与空穴复合时，能量不通过光子而是通过与晶格、缺陷或杂质的相互作用来转移的过程。
非辐射复合通常发生在材料中存在缺陷或杂质的情况下。缺陷、杂质或其他结构不完美的区域提供了中间能级，使得载流子可以通过这些能级复合并释放能量，而这种能量转移不会伴随光的发射。
在非辐射复合过程中，能量通常以热的形式通过晶格振动或声子散射转移到材料的其他部分。非辐射复合的速率通常由缺陷密度和缺陷态的能级分布决定，因此缺陷密度的增加通常会导致非辐射复合速率的增加，从而影响材料的载流子寿命和器件的效率（图3）。
图3.P型材料中载流子非辐射过程。DOI：10.1038/srep21712。
捕获–发射复合是指载流子在复合之前，首先被材料中的缺陷或陷阱捕获，然后通过释放能量实现复合。
该过程与非辐射复合类似，同时涉及载流子在陷阱中的停留时间和捕获态的特性。捕获态通常来源于半导体中的缺陷、杂质或表面态，这些缺陷提供了中间能级，导致载流子在这些能级上停留，并且在达到某种条件时，载流子将通过不同方式释放能量并最终复合。
捕获速率与陷阱的密度、陷阱态的深度以及载流子的迁移速度等因素密切相关。较深的陷阱态通常会延长载流子在陷阱中的停留时间，从而影响复合的速率。此外，捕获–发射复合在低温条件下较为显著，因为温度较低时，载流子的热激发能较低，导致载流子更容易被陷阱捕获（图4）。
图4. 载流子被深能级陷阱态捕获后通过热激发跃迁到另一个态，最终发生非辐射复合。DOI: 10.1038/srep21712。
不同的复合机制具有不同的影响，它们对材料的载流子寿命、光电转换效率以及热管理等方面起着决定性作用。
载流子寿命是指载流子在复合前能够存在的时间。复合速率的高低直接决定了载流子寿命的长短。
辐射复合通常具有较长的载流子寿命，因为辐射复合过程需要一定的时间来释放能量，特别是在低缺陷浓度和高材料质量的情况下。
与此相比，非辐射复合和捕获–发射复合通常会大大缩短载流子的寿命，因为它们通过非光辐射的途径迅速耗散能量，减少了载流子在导电带中的存在时间。因此，在优化半导体器件时，通常需要减少非辐射复合和捕获–发射复合过程，延长载流子的寿命，以提高器件的效率。
图5.载流子寿命与光强的联系。DOI: 10.1038/s43588-022-00297-y。
在太阳能电池、发光二极管等光电器件中，载流子的复合机制直接影响到光电转换效率。过多的非辐射复合会导致光电转换效率下降，因为它减少了可用的电子和空穴的数量，使得生成电流的能力降低。因此，减少非辐射复合并提高辐射复合的效率，是提高太阳能电池性能的重要手段（图6）。
图6.不同钙钛矿薄膜的PL强度映射和TRPL曲线证实表面处理对辐射/非辐射路径调控效果。DOI: 10.1038/s41566-025-01790-2。
温度对载流子复合机制有着显著的影响。随着温度的升高，载流子的热激发过程增加，进而增加复合的几率。高温条件下，非辐射复合机制往往占主导地位，因为温度的升高有助于缺陷态的激发，从而促进载流子与缺陷中心的相互作用。
此外，材料中的缺陷密度也是决定复合机制的重要因素。缺陷中心的存在不仅提供了捕获态，还可能引发非辐射复合过程，进而影响器件的电学和光学性能。
图7. 不同温度下的PL光谱，证实低温下非辐射复合减少。DOI: 10.12677/ms.2025.155113。
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