Систематичне аналітичне та чисельне дослідження неповної іонізації домішок у германії в діапазоні температур 4–400 К
Анотація
Неповна іонізація домішок суттєво впливає на електричні властивості германію (Ge), особливо за умов низьких температур і низького рівня легування, що є критичним для сучасних електронних та оптоелектронних пристроїв. У цій роботі наведено систематичне чисельне дослідження температурної та концентраційної залежності іонізації домішок у Ge в діапазоні температур 4–400 К та за концентрацій домішок від 1×1014 до 1×1018 cm-3. Імовірності іонізації оцінено для типових акцепторних домішок (бор, галій, індій) і донорних домішок (фосфор, миш’як, сурма) з енергіями активації в межах 10–16 меВ. Результати демонструють виражений ефект «заморожування» домішок за кріогенних температур, коли імовірність іонізації зменшується до 0,1–0,2 для слаболегованого Ge (N≤1015cm-3 ), що призводить до зниження концентрації носіїв заряду більш ніж на 80–90% порівняно з припущенням повної іонізації. Донорні домішки з меншою енергією активації досягають майже повної іонізації (P(T)>0.9) при температурах 100–150 К, тоді як акцепторні домішки з вищою енергією активації потребують температур вище 200–250 К. Збільшення концентрації домішок до 1017- 1018 cm-3 істотно послаблює ефект заморожування, забезпечуючи імовірність іонізації понад 0.8 вже при температурах 50–70 К. За кімнатної температури та вище всі досліджені домішки демонструють майже повну іонізацію в усьому дослідженому діапазоні концентрацій. Отримані результати надають кількісні рекомендації щодо вибору типу та концентрації домішок для Ge-базованих електронних, оптоелектронних і кріогенних пристроїв та підкреслюють необхідність явного врахування неповної іонізації домішок під час моделювання та оптимізації пристроїв, що працюють за низьких температур.
Завантаження
Посилання
N. Abrosimov, M. Czupalla, N. Dropka, J. Fischer, A. Gybin, K. Irmscher, J. Janicskó-Csáthy, et al., “Technology development of high purity germanium crystals for radiation detectors,” Journal of Crystal Growth, 532, 125396 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.125396
Sh.B. Utamuradova, Sh.Kh. Daliev, J.J. Khamdamov, Kh.J. Matchonov, M.K. Karimov, and Kh.Y. Utemuratova, East Eur. J. Phys. (1), 276 (2025), https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-32
D.A. Kozak, N.F. Tyndall, M.W. Pruessner, W.S. Rabinovich, and T.H. Stievater, “Germanium-on-silicon waveguides for long-wave integrated photonics: Ring resonance and thermo-optics,” Optics Express, 29(10), 15443–15451 (2021). https://doi.org/10.1364/OE.420687
A. Torres, M. Moreno, A. Kosarev, and A. Heredia, “Thermo-sensing silicon–germanium–boron films prepared by plasma for un-cooled micro-bolometers,” Journal of Non-Crystalline Solids, 354(19–25), 2556–2560 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.09.112
Z. Wu, S. Wang, J. Jiang, K. Liu, and T. Liu, “High-sensitivity temperature sensor based on microsphere cavity in super larger thermo-optic coefficient germanium-core fiber,” IEEE Access, 7, 182658–182663 (2019). https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2960178
C.S. Mishra, “Temperature-dependent nonlinear optical behavior of germanium semiconductor structures for infrared sensing applications,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 31(6), 4400108 (2025). https://doi.org/10.1109/JSTQE.2025.3596090
J. Feng, Z. Zhang, J. Liu, M. Shao, and Y. Zhou, “A novel resistive anode using a germanium film for Micromegas detectors,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 1031, 166595 (2022). https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.166595
M. Patel, and A.K. Karamalidis, “Germanium: A review of its US demand, uses, resources, chemistry, and separation technologies,” Separation and Purification Technology, 275, 118981 (2021). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118981
J.Sh. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Optimization of the influence of temperature on the electrical distribution of structures with radial p-n junction structures,” East European Journal of Physics, (3), 344–349 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-39
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
J.Sh. Abdullayev, I.B. Sapaev, and Kh.N. Juraev, “Theoretical analysis of incomplete ionization on the electrical behavior of radial p-n junction structures,” Low Temperature Physics, 51, 60–64 (2025). https://doi.org/10.1063/10.0034646
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
C.D. Thurmond, “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 (1975). https://doi.org/10.1149/1.2134410
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
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
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
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.Sh. Abdullayev, I.B. Sapaev, and S.R. Kadirov, “The role of recombination types in efficiency limits of radial p-n junctions based on Si and GaAs,” East European Journal of Physics, (2), 252–257 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-2-30
I. Sapaev, B. Sapaev, D. Abdullaev, J. Abdullayev, A. Umarov, R. Siddikov, A. Mamasoliev, and K. Daliev, “Influence of the parameters to transition capacitance at NCDS-PSI heterostructure,” E3S Web of Conferences, 383(04022), 1–7 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202338304022
J.Sh. Abdullayev, I.B. Sapaev, J.S. Abdullayev, D.A. Juraev, M.J. Jalalov, and E.E. Elsayed, “Mathematical Modeling of Incomplete Ionization in Radial p-Si/n-GaAs Heterojunctions: Temperature and Doping Effects,” J. Electron. Mater. 54, 10484–10492 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12391-8
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
J.Sh. Abdullayev, D.A. Qalandarova, M.Sh. Ibragimova, I.B. Sapaev, and J.I. Razzokov, “Experimental and Simulation-Based Investigation of p-Si/n-CdS Heterojunctions: From Cryogenic Freeze-Out to Room Temperature Operation,” J. Electron. Mater. 55, 2229–2239 (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12642-8
A. Kumar, G. Kumar, and C. Kumar, “Design and Performance Evaluation of a Ge₁₋ₓSnₓ/Ge Multiple Quantum Well Heterojunction Phototransistor for Long-Haul DWDM Optical Communication Systems,” J. Electron. Mater. 55, 3185–3202 (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12653-5
Sh.B. Utamuradova, Sh.Kh. Daliev, J.J. Khamdamov, Kh.J. Matchonov, A.Kh. Khaitbaev, East Eur. J. Phys. (4), 484 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-4-49
J.Sh. Abdullayev, L. Abdullayeva, L. Agamalieva, and R. Ismailova, “Correlating Ni microstructure with Schottky barrier homogeneity in monolayer MoS₂ field-effect transistors,” Advanced Physical Research, 7(3), 350–357 (2025). https://doi.org/10.62476/apr.73350
J. Sadullayev, M. Akhmedov, M. Vapayev, I. Davletov, and G. Boltaev, “Modeling of Thermal Effects in a Polyimide Target Under Pulsed Laser Irradiation,” East European Journal of Physics, (1), 274-280 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-31
O. Toktarbaiuly, M. Baisariyev, A. Kaisha, T. Duisebayev, N.K. Ibrayev, T. Serikov, M. Ibraimov, et al., Eurasian Physical Technical Journal, 21(4), 131–139 (2024). https://doi.org/10.31489/2024No4/131-139
J.Sh. Abdullayev, D.A. Qalandarova, and M.Sh. Ibragimova, “Impact of incomplete ionization on the critical electric field of p–n junction structures based on Si and GaAs,” Low Temperature Physics, 52(2), 164–169 (2026). https://doi.org/10.1063/10.0042291
O. Toktarbaiuly, A. Syrlybekov, N. Nuraje, G. Sugurbekova, and I.V. Shvets, “Surface faceting of vicinal SrTiO₃(100),” Materials Today: Proceedings, 71(Part 1), 69–77 (2022). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.08.283
J.S. Abdullayev, M.S. Ibragimova, J.S. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Cryogenic material and electrophysical changes in Si and GaAs,” East European Journal of Physics, (1), 343–350 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-40
J.S. Abdullayev, M.S. Ibragimova, J.S. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Thermal expansion characteristics of planar and radial Si/GaAs p–n heterojunctions,” East European Journal of Physics, (1), 388–395 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-46
Авторське право (c) 2026 М.Ш. Ібрагімова, Д.А. Каландарова, Н.П. Бабаязова, У.Г. Салаєв, Д.Г. Юльчієв, А.Б. Тіляков, А.В. Алімов, Ш.М. Кулієв, У.С. Рахмонов
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).
