Моделювання впливу неповної іонізації домішок на вбудований потенціал і вольт-фарадні (C–V) характеристики p–n переходів GaN: дослідження за допомогою SCAPS-1D
Анотація
Неповна іонізація домішок у напівпровідниках із широкою забороненою зоною відіграє критичну роль у визначенні концентрації носіїв заряду, електростатичних властивостей і загальної продуктивності пристроїв; однак її вплив на p–n переходи GaN для оптичних фотовольтаїчних перетворювачів (OPC) залишається недостатньо вивченим. У цій роботі використано моделювання SCAPS-1D для систематичного дослідження p–n переходів GaN із трьома p-типовими акцепторами (Mg, Zn, Be) і трьома n-типовими донорами (Si, O, S) у діапазоні концентрацій легування 10¹⁵–10¹⁸ см⁻³ і температур від 77 K до 400 K. Температурна залежність ширини забороненої зони описується за допомогою співвідношення Варшні (R² = 0,9721), тоді як іонізація домішок моделюється як функція температури та рівня легування для врахування її впливу на розподіл носіїв, вбудований потенціал і вольт-фарадні (C–V) характеристики. Результати демонструють суттєве зменшення ємності переходу за нижчих температур через неповну іонізацію акцепторів. Для характерного рівня легування 5×10¹⁷ см⁻³ ємність зменшується приблизно з 3,2 пФ при 400 K до 1,5 пФ при 77 K (≈53% зниження), що переважно зумовлено частковою іонізацією акцепторів Mg, тоді як донорні домішки залишаються майже повністю іонізованими. Ці результати показують, що традиційні моделі, які ігнорують неповну іонізацію, суттєво переоцінюють ємність переходу за низьких температур. Хоча аналіз базується на одновимірній моделі, він надає фізично узгоджене розуміння ролі глибоких домішкових рівнів і закладає основу для майбутніх багатовимірних TCAD-досліджень. Це дослідження підкреслює необхідність урахування ефектів неповної іонізації під час проєктування та оптимізації високоефективних, стійких до радіації OPC на основі GaN, що працюють в екстремальних умовах.
Завантаження
Посилання
T. Maeda, T. Narita, S. Yamada, T. Kachi, T. Kimoto, M. Horita, and 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, and J. Kim, “Review of radiation damage in GaN-based materials and devices,” Journal of Vacuum Science and Technology A, 31(5), 050801 (2013). https://doi.org/10.1116/1.4799504
N. Donato, and 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, and 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, and 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, 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
M. Phifer, S. Hossain, J. Osborne, Z. Xie, and M. Alam, “Demonstration of TCAD modeling for GaN devices,” in: SoutheastCon. 2025, (IEEE, 2025), pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/SoutheastCon56624.2025.10971621
H. Shang, and 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, and 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, and Z. Dong, “Comparative study of wide-bandgap materials for neutron detection: GaN and 4H-SiC,” Nuclear Technology, 211(12), 3080–3093 (2025). 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, and A. García-Loureiro, “Gallium nitride: A strong candidate to replace GaAs as base material for optical photovoltaic converters in space exploration,” Optics and Laser Technology, 192(Part A), 113447 (2025). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113447
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, 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
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, 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
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
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
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, D.A. Qalandarova, M.S. 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. (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12653-5
M.A.A. Rosle, and M.Z. Pakhuruddin, “Investigation of gallium nitride emitter thickness in GaN/Si heterojunction solar cell by SCAPS-1D,” NanoVol, 20(09), 2550026 (2025). https://doi.org/10.1142/S1793292025500262
M.K. Omar, M. Rashid, and M.Z. Pakhuruddin, “Investigation on indium concentration in two-terminal tandem indium gallium nitride solar cells by SCAPS-1D,” Physica Scripta, 99(11), 115531 (2024). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad8193
H. Abboudi, W. Belaid, R. En-nadir, I. Ez-zejjari, M. Zouini, A. Sali, and H. El Ghazi, “Optimization of InₓGa₁−ₓN P-I-N solar cells: Achieving 21% efficiency through SCAPS-1D modeling,” Crystals, 15(7), 633 (2025). https://doi.org/10.3390/cryst15070633
Z. Hu, K. Nomoto, B. Song, M. Zhu, M. Qi, M. Pan, X. Gao, et al., “Near unity ideality factor and Shockley-Read-Hall lifetime in GaN-on-GaN p-n diodes with avalanche breakdown featured,” Applied Physics Letters, 107(24), 243501 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4937436
J.S. Abdullayev, M.S. Ibragimova, J.Sh. 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
Y.-C. Lai, Y.-N. Zhong, M.-Y. Tsai, and Y.-M. Hsin, “Gate capacitance and off-state characteristics of E-mode p-GaN gate AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors after gate stress bias,” Journal of Electronic Materials, 50, 1162–1166 (2021). https://doi.org/10.1007/s11664-020-08949-1
N. Bano, I. Hussain, E.A. Al-Ghamdi, and M.S. Ahmad, “Quantitative analysis of electrically active defects in Au/AlGaN/GaN HEMTs structure using capacitance–frequency and DLTS measurements,” Journal of Physics Communications, 5(12), 125010 (2021). https://doi.org/10.1088/2399-6528/ac41aa
S. Lv, S. Wang, J. Yu, G. Tian, G. Wang, P. An, K. Song, et al., “Wafer scale gallium nitride integrated electrode toward robust high temperature energy storage,” Small, 20(27), 2310837 (2024). https://doi.org/10.1002/smll.202310837
W. Yang, J.-S. Yuan, B. Krishnan, A.J. Tzou, and W.-K. Yeh, “C-V measurement under different frequencies and pulse-mode voltage stress to reveal shallow and deep trap effects of GaN HEMTs,” in: 2018 IEEE 6th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), (Atlanta, GA, USA, 2018). https://doi.org/10.1109/WIPDA.2018.8569206
J. Park, S.H. Lee, I.M. Kang, and Y.J. Yoon, “Fabrication of AlGaN/GaN HEMT using TMAH pre-treatment and analysis of electrical characteristics by proton irradiation,” Current Applied Physics, 75, 33–39 (2025). https://doi.org/10.1016/j.cap.2025.04.010
H. Sun, Q. Fan, X. Ni, Q. Luo, and X. Gu, “Low-pressure chemical vapor deposition SiNx process study and its impact on interface characteristics of AlGaN/GaN MISHEMTs,” Micromachines, 16(4), 442 (2025). https://doi.org/10.3390/mi16040442
D.A. Qalandarova, M.S. Ibragimova, J.S. Abdullayev, and I.B. Sapaev, “Mathematical modeling of electrostatic potential in radial and planar p–n junctions: A comparative study,” East European Journal of Physics, (1), 333–342 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-39
J.S. Abdullayev, M.S. Ibragimova, J.Sh. 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
H. Teisseyre, P. Perlin, T. Suski, I. Grzegory, S. Porowski, J. Jun, A. Pietraszko, and T.D. Moustakas, “Temperature dependence of the energy gap in GaN bulk single crystals and epitaxial layer,” Journal of Applied Physics, 76(4), 2429–2434 (1994). https://doi.org/10.1063/1.357592
C. Prall, M. Ruebesam, C. Weber, M. Reufer, and D. Rueter, “Photoluminescence from GaN layers at high temperatures as a candidate for in situ monitoring in MOVPE,” Journal of Crystal Growth, 397, 24–28 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.04.001
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
Авторське право (c) 2026 Джошкін Ш. Абдуллаєв, І.Б. Сапаєв, Джонібек Ш. Абдуллаєв, Г.А. Абдикаїмова, Ш.Ш. Ахмадалієв, М.М. Гуломова, Ш.О. Холбеков, Кудрат Ш. Рузметов
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).
