Вплив неповної іонізації домішок у GaN оптичних фотоперетворювачах у діапазоні 4-400 K для космічних сонячних енергетичних застосувань
Анотація
Ми представляємо комплексне числове дослідження температурно- та концентраційно-залежної іонізації легуючих домішок в оптичних фотоелектричних перетворювачах (ОФП) на основі GaN, що охоплює діапазон температур від 4 до 400 K та рівні легування від 1×10¹⁴ до 1×10¹⁸см⁻³. Акцепторні легуючі домішки (Mg, Zn, Be) демонструють неповну іонізацію за кімнатної температури, причому Mg досягає рівня PA≈0.60 при 300 K, а нижче 50 K спостерігається сильне замерзання PA < 1. Донорні легуючі домішки (Si, O, S) майже повністю іонізуються при 300 K PD > 0.95 та підтримують високу електронну щільність навіть за кріогенних температур. Збільшення концентрації легуючої домішки зменшує замерзання акцептора, але не може подолати внутрішні межі активації за низьких температур. Ці результати підкреслюють асиметрію між GaN p- та n-типу, важливість стратегій спільного легування та надають кількісні рекомендації для прогнозування щільності носіїв заряду, питомого опору та продуктивності пристроїв у потужних космічних ОПК на основі GaN.
Завантаження
Посилання
T. Maeda, T. Narita, S. Yamada, T. Kachi, T. Kimoto, M. Horita, & J. Suda, “Impact ionization coefficients and critical electric field in GaN,” Journal of Applied Physics, 129(18), 185702 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0050793
S.J. Pearton, R. Deist, F. Ren, L. Liu, A.Y. Polyakov, & J. Kim, “Review of radiation damage in GaN-based materials and devices,” Journal of Vacuum Science & Technology A, 31(5), 050801 (2013). https://doi.org/10.1116/1.4799504
N. Donato, & F. Udrea, “Static and dynamic effects of the incomplete ionization in superjunction devices,” IEEE Transactions on Electron Devices, 65(10), 4469–4475 (2018). https://doi.org/10.1109/TED.2018.2867058
S.J. Pearton, Y.-S. Hwang, & F. Ren, “Radiation effects in GaN-based high electron mobility transistors,” Journal of Materials, 67, 1601–1611 (2015). https://doi.org/10.1007/s11837-015-1401-2
A.T. Neal, S. Mou, R. Lopez, J.V. Li, D.B. Thomson, K.D. Chabak, & G.H. Jessen, “Incomplete ionization of a 110 meV unintentional donor in β-Ga₂O₃ and its effect on power devices,” Scientific Reports, 7, 13218 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-13341-8
J.Sh. Abdullayev, & 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
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, & 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
M. Phifer, S. Hossain, J. Osborne, Z. Xie, & M. Alam, “Demonstration of TCAD modeling for GaN devices,” in: IEEE SoutheastCon 2025, (Concord, NC, USA, 2025), (pp. 1–6). https://doi.org/10.1109/SoutheastCon56624.2025.10971621
H. Shang, & Y. Jiang, “A physical model of a diamond vertical Schottky diode including incomplete ionization and thermal effects,” Journal of Physics D: Applied Physics, 58(15), 155104 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6463/adb9fb
C. Onwukaeme, & H.-Y. Ryu, “Design of GaN-based laser diode structures with nonuniform doping distribution in a p-AlGaN cladding layer for high-efficiency operation,” Crystals, 15(3), 259 (2025). https://doi.org/10.3390/cryst15030259
J. Wei, J. Hao, Q. Zhao, J. Fan, F. Zhang, & Z. Dong, “Comparative study of wide-bandgap materials for neutron detection: GaN and 4H-SiC,” Nuclear Technology, 211(12), 3080–3093. https://doi.org/10.1080/00295450.2025.2462444
J.F. Lozano, N. Seoane, J.M. Guedes, E. Comesaña, J.G. Fernandez, F.M. Almonacid, E.F. Fernández, & A. García-Loureiro, “Gallium nitride: A strong candidate to replace GaAs as base material for optical photovoltaic converters in space exploration,” Optics & Laser Technology, 192(Part A), 113447 (2025). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113447
J.Sh. Abdullayev, & 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
J.Sh. Abdullayev, & 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, & 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
S. Chatterjee, and M. Mukherjee, “Electrical Characterization in Ultra-Wide Band Gap III-Nitride Heterostructure IMPATT/HEMATT Diodes: A Room-Temperature Sub-Millimeter Wave Power Source,” J. Electron. Mater. 52, 1552–1563 (2023). https://doi.org/10.1007/s11664-022-10090-2
J.Sh. Abdullayev, I.B. Sapaev, & 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
D.B. Abdirimova, F.O. Quryozov, and R.O. Ozodov, “Critical behavior of the specific heat of Ga₁₋ₓMnₓAs ferromagnetic semiconductors,” AIP Conference Proceedings, 2647(1), 020033 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0124323
J.S. Abdullayev, I.B. Sapaev, J.S. 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,” J. Electron. Mater. 54, 10484–10492 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12391-8
Sh.B. Utamuradova, Sh.Kh. Daliev, J.J. Khamdamov, Kh.J. Matchonov, M.K. Karimov, Kh.Y. Utemuratova, East Eur. J. Phys. (1), 276 (2025), https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-32
J.Sh. Abdullayev, L. Abdullayeva, L. Agamalieva, & 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
P. Murugapandiyan, K. Sri Rama Krishna, A. Revathy, and A. Fletcher, “Enhancement Mode AlGaN/GaN MISHEMT on Ultra-Wide Band Gap β-Ga2O3 Substrate for RF and Power Electronics,” J. Electron. Mater. 53, 2973–2987 (2024). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11005-z
J.S. Abdullayev, I.B. Sapaev, S.R. Kadirov, & J.Sh. Abdullayev, “Modeling of optoelectronic properties in pSi/n-CdmZn₁₋ₘS heterojunctions: Effects of composition and temperature,” Journal of Electronic Materials, 54(10), 11607–11617 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12480-8
I.B. Sapaev, J.I. Razzokov, J.S. Abdullayev, D.A. Qalandarova, & 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.S. Abdullayev, D.A. Qalandarova, M.S. Ibragimova, I.B. Sapaev, & 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
B. Rakhimov, F. Rakhimova, R. Ozodov, A. Saidov, and Z. Saidova, “GPU-based implementation of object detection algorithms using CUDA Vision Workbench,” in: Hybrid methods for modeling and optimizing complex systems (HMMOCS 2024, Lecture Notes in Networks and Systems, Vol. 1481), edited by P. S. Stanimirović, S. D. Mourtas, and J. K. Sahoo, (Springer, Cham. 2024). https://doi.org/10.1007/978-3-031-95649-2_9
A. Kumar, G. Kumar, & 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
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
Авторське право (c) 2026 Д.А. Каландарова, М.Ш. Ібрагімова, У.Г. Салаєв, І.Б. Сапаєв, Д.С. Мамараджабов, А.М. Мадолімов, Ф.О. Тохірова, А.І. Юсупов, О.А. Саттарова
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).
