Кріогенні матеріальні та електрофізичні зміни в Si та GaAs
Анотація
У цьому дослідженні систематично вивчено кріогенну поведінку кремнію (Si) та арсеніду галію (GaAs) у температурному діапазоні 4–300 K та при концентраціях легування від власних до 1×10¹⁸ см⁻³. Встановлено еволюцію фундаментальної та ефективної ширини забороненої зони: у Si вона зростає від 1,12 до 1,17 еВ, а у GaAs — від 1,42 до 1,51 еВ при зниженні температури від 300 K до 4 K. Визначено енергії активації донорів і акцепторів, які демонструють виражений ефект неповної іонізації при T < 20 K, що зменшує концентрацію вільних носіїв майже на 80% у слабко легованих зразках і суттєво знижує електропровідність. Аналіз поверхневої хімічної стабільності показав придушення дифузії легуючих домішок та мінімальну окиснюваність у кріогенних умовах. Отримані результати забезпечують комплексне розуміння взаємодії структурних, електронних та хімічних процесів у Si і GaAs, що є критично важливим для проєктування та оптимізації кріогенних електронних і оптоелектронних пристроїв.
Завантаження
Посилання
A. Qu, Z. Xie, Y. Wang, et al. “Effect of Acceptor-Type Traps in GaN Buffer Layer on Current Collapse of ε-Ga2O3/GaN HEMTs,” J. Electron. Mater. 54, 3086–3096 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-11823-9
J.S. Abdullayev, D.A. Qalandarova, M.S. Ibragimova, et al. “Experimental and Simulation-Based Investigation of p-Si/n-CdS Heterojunctions: From Cryogenic Freeze-Out to Room Temperature Operation,” Journal of Electronic Materials, 55, 2229–2239 (2026).https://doi.org/10.1007/s11664-025-12642-8
B. Abdullaev, and D. Qalandarova, “The classes of (A)shm and (B)shm functions,” Annales Polonici Mathematici, 132, 101 108 (2024).https://doi.org/10.4064/ap230727-30-11
G.S. Sahoo, C. Harini, N. Mahadevi, P.S. Nethra, A. Tripathy, M. Verma, and G.P. Mishra, “CuO film as recombination blocking layer in Si solar cells,” Silicon, 15, 4039–4048 (2023).https://doi.org/10.1007/s12633-023-02701-x
I.B. Sapaev, J.I. Razzokov, J.S. Abdullayev, D.A. Qalandarova, and M.S. Ibragimova, “Bandgap-Engineered pSi/n-CdₓS₁₋ₓ Heterojunctions: Effect of Composition on Optoelectronic Behavior,” East European Journal of Physics, (4), 442-448 (2025).https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-4-44
S. Fan, Z.J. Yu, Y. Sun, W. Weigand, P. Dhingra, M. Kim, et al., “20%-efficient epitaxial GaAsP/Si tandem solar cells,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 202, 110144 (2019).https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110144
J.Sh. Abdullayev, I.B. Sapaev, J.Sh. Abdullayev, D. A. Juraev, M. J. Jalalov, E. E. Elsayed, “Mathematical modeling of incomplete ionization in radial p-Si/n-GaAs heterojunctions: temperature and doping effects”, Journal of Electronic Materials, 54, 1–9 (2025).https://doi.org/10.1007/s11664-025-12391-8
D. Li, C. Luo, H. Wang, F. Ling, and J. Yao, “Active control of plasmon-induced transparency based on a GaAs/Si heterojunction in the terahertz range,” Optical Materials, 114, 111609 (2021).https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111609
M.N. Hasan, Y. Zheng, J. Lai, E. Swinnich, O.G. Licata, M.A. Baboli, B. Mazumder, et al., “Influences of native oxide on the properties of ultrathin Al₂O₃-interfaced Si/GaAs heterojunctions,” Advanced Materials Interfaces, 9(13), 2101531 (2022). https://doi.org/10.1002/admi.202101531
J.Sh. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Optimizing the influence of doping and temperature on the electrophysical features of p-n and p-i-n junction structures,” Eurasian Physical Technical Journal, 21(3(49)), 21 28 (2024). https://doi.org/10.31489/2024No3/21-28
M. Jurisch, F. Börner, T. Bünger, S. Eichler, T. Flade, U. Kretzer, A. Köhler, et al., “LEC- and VGF-growth of SI GaAs single crystals – Recent developments and current issues,” Journal of Crystal Growth, 275(1–2), 283–291 (2005).. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.10.092
R.S. Singh, R.D. Patidar, K. Deshmukh, et al. “Influence of CuO Layer on the Performance of Thin-Film Copper Indium Gallium Selenide Solar Cells: A Numerical Analysis,” J. Electron. Mater. 54, 609–619 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11588-7
J.Sh. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Factors influencing the ideality factor of semiconductor p-n and p-i-n junction structures at cryogenic temperatures,” East European Journal of Physics, (4), 329–333 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-4-37
T. Chen, G. Wu, H. Qiao, et al. “Si@perovskite nanowire design by Si scattering to enhance perovskite optical response,” Opt Quant Electron, 57, 333 (2025). https://doi.org/10.1007/s11082-025-08258-1
J. Herfort, H.-P. Schönherr, and K.H. Ploog, “Epitaxial growth of hybrid structures,” Applied Physics Letters, 83(18), 3912–3914 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1625426
J.Sh. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Modeling and calibration of electrical features of p-n junctions based on Si and GaAs,” Physical Sciences and Technology, 11(3–4), 39–48 (2024). https://doi.org/10.26577/phst2024v11i2b05
J.Sh. Abdullayev, “Influence of linear doping profiles on the electrophysical features of p-n junctions,” East European Journal of Physics, (1), 245–249 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-26
E.P. Devine, T. Yamada, S.Y. Wang, et al. “Stacked co-packaged Si-Ge-Si photodetectors with > 60 GHz bandwidth for near-infrared wavelength-simulation,” Discov Electron, 2, 99 (2025). https://doi.org/10.1007/s44291-025-00137-z
A.B. Roy, N.H.R. Valiji, R. Mohammad, P. Giridhar, and P. Mondal, “Performance enhancement of Si/GaAs based heterojunction solar cells by opto-electronics modeling and optimization,” in: 2024 International Conference on Recent Advances in Electrical, Electronics, Ubiquitous Communication, and Computational Intelligence (RAEEUCCI), (IEEE, 2024), pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/RAEEUCCI61380.2024.10547792
K.K.D. Nigam, P. Yadav, et al., “Numerical Investigation of RbGeI3-Based Lead-Free Perovskite Solar Cell with Various Cu-Based Hole Transport Layers Using SCAPS-1D,” J. Electron. Mater. 54, 2747–2765 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-11740-x
J.Sh. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Analytic analysis of the features of GaAs/Si radial heterojunctions: Influence of temperature and concentration,” East European Journal of Physics, (1), 204–210 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-21
M. Piriyev, G. Loget, Y. Léger, L. Chen, A. Létoublon, T. Rohel, C. Levallois, et al., “Dual bandgap energy operation of a GaAs/Si photoelectrode,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 251, 112138 (2023). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112138
J.Sh. Abdullayev, I.B. Sapaev, N. Esanmuradova, S. Kadirov, and S. Kuliyev, “Mathematical analysis of the features of radial p-n junction: Influence of temperature and concentration,” East European Journal of Physics, (2), 220–225 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-2-24
J. Alanis, S.J. Gutiérrez-Ojeda, R. Méndez-Camacho, and E. Cruz-Hernández, “Theoretical investigation of the growth of GaAs on Si(001), Si(110), Si(111), Si(113), and Si(331),” Surfaces and Interfaces, 44, 103792 (2024). https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103792
J.Sh. Abdullayev, and G.Kh. Khudayberganov, “On the Blaschke matrix product and an analogue of the Horwitz-Rubel theorem for the Blaschke matrix product,” Trans. Natl. Acad. Sci. Azerb. Ser. Phys.-Tech. Math. Sci. Mathematics, 45(4), 3-19 (2025). https://doi.org/10.30546/2617-7900.45.4.2025.019
R. Huang, Q. Wang, Y. Guo, and Z. Wang, “Comparative study on GaAs/Si heterojunction fabricated by nitrogen and oxygen plasma activated bonding,” Vacuum, 208, 111735 (2023). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111735
J. Kaarthik, S. Biswas, N. Ram, et al. “Thickness-Dependent Resistive Switching Characteristics in HfO2/SiO2/Si Memristive Devices,” J. Electron. Mater. 54, 7731–7739 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12134-9
J. Liang, L. Chai, S. Nishida, M. Morimoto, and N. Shigekawa, “Investigation on the interface resistance of Si/GaAs heterojunctions fabricated by surface-activated bonding,” Japanese Journal of Applied Physics, 54(3), 030211 (2015). https://doi.org/10.7567/JJAP.54.030211
M. Haris, S.A. Loan, and Mainuddin,” “Si/GaAs hetero junction tunnel FET: Design and investigation,” Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 14(10), 1434–1444 (2019). https://doi.org/10.1166/jno.2019.2575
J. Liang, T. Miyazaki, M. Morimoto, S. Nishida, N. Watanabe, and N. Shigekawa, “Electrical properties of p-Si/n-GaAs heterojunctions by using surface-activated bonding,” Applied Physics Express, 6(2), 021801 (2013). https://doi.org/10.7567/APEX.6.021801
E. Widianto, M. Riswan, C. Driyo, et al. “Interfacial Engineering Using Low-Temperature Indium Sulfide Electron-Transporting Material for Efficient Sn-Based Perovskite Solar Cells,” J. Electron. Mater. 53, 7642–7654 (2024). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11488-w
P.B. Mittal, “Core–Shell Incorporated Analytical Modeling of a Dual-Material Gate Junctionless Nanowire: Extraction of Subthreshold Characteristics,” J. Electron. Mater. 54, 3046–3059 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-11737-6
O. Tukfatullin, B. Butunbaev, and S. Otaboev, Front-Surface Soiling Measurement Device for Photovoltaic Modules. Vidnovluvana Energetyka, 4(83), 189-194 (2025). https://doi.org/10.36296/1819-8058.2025.4(83).189-194
N. Moussaoui, L. Benhamadouche, and A.D. Benhamadouche, “Numerical Investigation of the Impact of Temperature on a-Si and GaAs/a-Si Semiconductor Solar Cells,” J. Electron. Mater. 53, 6803–6810 (2024). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11364-7
T. Yu, H. Zhang, D. Li, and Y. Lu, “Electronic and optical properties of silicene on GaAs(111) with hydrogen intercalation: A first-principles study,” RSC Advances, 11, 16040–16050 (2021). https://doi.org/10.1039/D1RA01959G
R.A. Muminov, V.G. Dyskin, O.F. Tukfatullin, et al., “Study of the Effect of Optical Constants of Dust Film on the Efficiency of Photovoltaic Modules,” Appl. Sol. Energy, 60, 829–834 (2024). https://doi.org/10.3103/S0003701X25600766
R. Huang, Z. Wang, K. Wu, H. Xu, Q. Wang, and Y. Guo, “Hybrid bonding of GaAs and Si wafers at low temperature by Ar plasma activation,” Journal of Semiconductors, 45(4), 042701 (2024). https://doi.org/10.1088/1674-4926/45/4/042701
A.A. Sushkov, D.A. Pavlov, A.I. Andrianov, V.G. Shengurov, S.A. Denisov, V.Y. Chalkov, R.N. Kriukov, et al., “Comparison of III–V heterostructures grown on Ge/Si, Ge/SOI, and GaAs,” Semiconductors, 56, 122–133 (2022). https://doi.org/10.1134/S106378262201012X
P.K. Saxena, P. Srivastava, and A. Srivastava, “Defect analysis of MBE reactor-grown HgCdTe on Si, GaAs, GaSb, and CZT substrates through the TNL-Epigrow simulator,” Journal of Electronic Materials, 53, 5803–5812 (2024). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11082-0
U.S. Rakhmonov, and J.Sh. Abdullayev, “On properties of the second type matrix ball Bm,n2 from space C[m×n]”, J. Sib. Fed. Univ. Math. Phys. 15(3), 329–342 (2022).
M. Kria, M. El-Yadri, L.M. Pérez, E. Feddi, et al., “Thermodynamic and magnetic properties of cylindrical nanoshell GaAsMn considering Rashba spin–orbit coupling,” Physica Scripta, 100(8), (2025). https://doi.org/10.1088/1402-4896/adf57c
D.Q. Fang, A.L. Rosa, Th. Frauenheim, and R.Q. Zhang, “Band gap engineering of GaN nanowires by surface functionalization,” Applied Physics Letters, 94(7), 073116 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3086316
A. Rejmer, A. Ozcan-Atar, W. Kołkowski, I. Pasternak, S. Kozdra, A. Materna, E. Pelucchi, et al., “Defect-specific compensation and redistribution of Si in GaAs:Si structures resolved at subnanometer scale,” Journal of Applied Physics, 138(20), 205701 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0281923
Авторське право (c) 2026 Джонібек Ш. Абдуллаєв, Мадінабону Ш. Ібрагімова, Джошкін Ш. Абдуллаєв, Іброхім Б. Сапаєв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
