Характеристики теплового розширення плоских та радіальних гетеропереходів p–n Si/GaAs
Анотація
У цій роботі представлено комплексне теоретичне та чисельне дослідження плоских та радіальних p–n гетеропереходів Si/GaAs, зосереджене на спільному впливі термічного розширення та неповної іонізації домішок на електростатичні та механічні характеристики структур. Двовимірне рівняння Пуассона розв’язано в декартовій та циліндричній системах координат з урахуванням імовірнісної активації домішок для моделювання заморожування носіїв при низьких температурах. При 100 K неповна іонізація зменшує вбудований потенціал на до 40 % і збільшує ширину збідненої області більш ніж на 50 %, тоді як радіальні переходи демонструють на 15–25 % вищий потенціал завдяки криволінійному посиленню поля. Термомеханічне моделювання показало, що при 10 K та тиску 200 МПа у плоских структурах загальна деформація досягає −2,8 × 10⁻³, а напруження — ≈280 МПа, тоді як у радіальних структурах спостерігається деформація −3,9 × 10⁻³, але менше напруження (≈234 МПа) через знижений модуль пружності. Отримані результати демонструють переваги радіальної геометрії щодо релаксації напружень та підвищення електростатичного контролю, що є важливим для високоефективних кріогенних фотодетекторів та оптоелектронних пристроїв.
Завантаження
Посилання
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
G.S. Sahoo, C. Harini, N. Mahadevi, P.S. Nethra, A. Tripathy, M. Verma, & 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
Lepkowski, D. L., Garassman, T. J., Boyer, J. T., Chmielewski, D. J., Yi, C., Juhl, M. K., Ringel, S. A. (2021). 23.4% monolithic epitaxial GaAsP/Si tandem solar cell. Solar Energy Materials and Solar Cells, 230, 111299. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111299
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
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.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, 10484 10492 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12391-8
Li, D., Luo, C., Wang, H., Ling, F., & Yao, J. (2021). Active control of plasmon-induced transparency based on a GaAs/Si heterojunction in the terahertz range. Optical Materials, 114, 111609. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111609
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
Hasan, M.N., Zheng, Y., Lai, J., Swinnich, E., Licata, O.G., Baboli, M.A., Mazumder, B., Mohseni, P.K., & Seo, J.-H. “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
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
Jurisch, M., Börner, F., Bünger, T., Eichler, S., Flade, T., Kretzer, U., Köhler, A., Stenzenberger, J., & Weinert, B. (2005). LEC- and VGF-growth of SI GaAs single crystals—Recent developments and current issues. Journal of Crystal Growth, 275(1–2), 283–291. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.10.092
Abdullayev, J. Sh., Sapaev, I. B., & Juraev, Kh. N. (2025). Theoretical analysis of incomplete ionization on the electrical behavior of radial p-n junction structures. Low Temperature Physics, 51, 60–64. https://doi.org/10.1063/10.0034646
Garg, P. Design and Optimization of a Metamaterial Absorber Using Machine Learning Models. J. Electron. Mater. 55, 790–799 (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12516-z
Abdullayev, J. Sh., & Sapaev, I. B. (2024). 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. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-4-37
Thurmond, C. D. (1975). The standard thermodynamic functions for the formation of electrons and holes in Ge, Si, GaAs, and GaP. Journal of The Electrochemical Society, 122(8), 1133. https://doi.org/10.1149/1.2134410
Herfort, J., Schönherr, H.-P., & Ploog, K. H. (2003). Epitaxial growth of hybrid structures. Applied Physics Letters, 83(18), 3912–3914. https://doi.org/10.1063/1.1625426
Bharti, Mittal, P. 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
Bhardwaj, A., Das, A., Garg, P. et al. Material-Driven Performance Analysis of a Vertical Nanowire Tunnel FET for Analog Applications. J. Electron. Mater. 55, 1099–1110 (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12438-w
Abdullayev, J. Sh. (2025). Influence of linear doping profiles on the electrophysical features of p-n junctions. East European Journal of Physics, 1, 245–249. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-26
Heun, S., Sugiyama, M., Maeyama, S., Watanabe, Y., Wada, K., & Oshima, M. (1996). Growth of Si on different GaAs surfaces: A comparative study. Physical Review B, 53, 13534–13541. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.13534
Saxena, P. K., Srivastava, P., & Srivastava, A. (2024). 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. https://doi.org/10.1007/s11664-024-11082-0
Bardhan Roy, A., Rasulji Valiji, N. H., Mohammad, R., Giridhar, P., & Mondal, P. (2024). 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) (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/RAEEUCCI61380.2024.10547792
Abdullayev, J. Sh., & Sapaev, I. B. (2025). Analytic analysis of the features of GaAs/Si radial heterojunctions: Influence of temperature and concentration. East European Journal of Physics, 1, 204–210. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-21
Piriyev, M., Loget, G., Léger, Y., Chen, L., Létoublon, A., Rohel, T., Levallois, C., Le Pouliquen, J., Fabre, B., Bertru, N., & Cornet, C. (2023). Dual bandgap operation of a GaAs/Si photoelectrode. Solar Energy Materials and Solar Cells, 251, 112138. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112138
Alanis, J., Gutiérrez-Ojeda, S. J., Méndez-Camacho, R., & Cruz-Hernández, E. (2024). Theoretical investigation of the growth of GaAs on Si(001), Si(110), Si(111), Si(113), and Si(331). Surfaces and Interfaces, 44, 103792. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103792
Cao, S.D., Sai, D.C., Ngac, A.B. et al. Studies on the Impact of the Core-Shell Structures on the Optical Characteristics of Au@Cu2O Nanoparticles. J. Electron. Mater. (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-026-12690-8
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
Huang, R., Wang, Q., Guo, Y., & Wang, Z. (2023). Comparative study on GaAs/Si heterojunction fabricated by nitrogen and oxygen plasma activated bonding. Vacuum, 208, 111735. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111735
Yamaguchi, M., Takamoto, T., Juso, H., Nakamura, K., Ozaki, R., & Kojima, N. (2024). 33.7% efficiency Si tandem solar cell modules. In Proceedings of the 2024 IEEE 52nd Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). IEEE. https://doi.org/10.1109/PVSC57443.2024.10749502
Šagátová, A., Novák, A., Kováčová, E., Riabukhin, O., Kotorová, S., & Zaťko, B. (2023). Radiation-degraded Si GaAs detectors and their metallization. AIP Conference Proceedings, 2778, 060009. https://doi.org/10.1063/5.0137383
Liang, J., Chai, L., Nishida, S., Morimoto, M., & Shigekawa, N. (2015). Investigation on the interface resistance of Si/GaAs heterojunctions fabricated by surface-activated bonding. Japanese Journal of Applied Physics, 54(3), 030211. https://doi.org/10.7567/JJAP.54.030211
Prasad, R.K., Singh, D.K. Melamine-Based Graphitic C3N4/p-Silicon Heterostructure Photodetector: Effect of g-C3N4 Growth Time on Performance. J. Electron. Mater. 54, 3014–3023 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-11782-1
Haris, M., Loan, S. A., & Mainuddin. (2019). Si/GaAs hetero junction tunnel FET: Design and investigation. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 14(10), 1434–1444. https://doi.org/10.1166/jno.2019.2575
Liang, J., Miyazaki, T., Morimoto, M., Nishida, S., Watanabe, N., & Shigekawa, N. (2013). Electrical properties of p-Si/n-GaAs heterojunctions by using surface-activated bonding. Applied Physics Express, 6(2), 021801. https://doi.org/10.7567/APEX.6.021801
Strzelecka, S., Pawlowska, M., Hruban, A., Gladysz, M., Wegner, E., Gladki, A., & Orlowski, W. (1997). Investigation of As-precipitates in SI GaAs. In J. Zmija, A. Majchrowski, J. Rutkowski, & J. Zielinski (Eds.), Solid State Crystals: Growth and Characterization (Vol. 3178, pp. 238–241). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.280741
Yu, T., Zhang, H., Li, D., & Lu, Y. (2021). Electronic and optical properties of silicene on GaAs(111) with hydrogen intercalation: A first-principles study. RSC Advances, 11, 16040–16050. https://doi.org/10.1039/D1RA01959G
Sushkov, A. A., Pavlov, D. A., Andrianov, A. I., Shengurov, V. G., Denisov, S. A., Chalkov, V. Y., Kriukov, R. N., Baidus, N. V., Yurasov, D. V., & Rykov, A. V. (2022). Comparison of III–V heterostructures grown on Ge/Si, Ge/SOI, and GaAs. Semiconductors, 56, 122–133. https://doi.org/10.1134/S106378262201012X
Huang, R., Wang, Z., Wu, K., Xu, H., Wang, Q., & Guo, Y. (2024). Hybrid bonding of GaAs and Si wafers at low temperature by Ar plasma activation. Journal of Semiconductors, 45(4), 042701. https://doi.org/10.1088/1674-4926/45/4/042701
Lourenço, S. A., Dias, I. F. L., Duarte, J. L., Laureto, E., Poças, L. C., Toginho Filho, D. O., & Leite, J. R. (2004). Thermal expansion contribution to the temperature dependence of excitonic transitions in GaAs and AlGaAs. Brazilian Journal of Physics, 34(2a). https://doi.org/10.1590/S0103-97332004000300031
Pässler, R. (2001). Basic model relations for temperature dependencies of fundamental energy gaps in semiconductors. Physica Status Solidi (b), 200(1), 155–172. https://doi.org/10.1002/1521-3951(199703)200:1<155::AID-PSSB155>3.0.CO;2-3
Jahromi, H. D., Zeiri, N., & Lotfiani, A. (2025). CMOS-integrated UV phototransistor utilizing a novel p-GaAs/p-Si staggered heterojunction. Journal of Science: Advanced Materials and Devices, 10(3), 100891. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2025.100891
Mishra, P.K., Maity, G. Impact of Oxygen Vacancies on Photodetection Performance of Ga2O3: A Comprehensive Review. J. Electron. Mater. 54, 2533–2545 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-11746-5
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).
