Ефекти неповної іонізації у C–V характеристиках радіальних p–n та p–i–n переходів
Анотація
У цій роботі представлено всебічне чисельне дослідження ефектів неповної іонізації допанту на вольт-ємність (C V) радіальних p–n та p–i–n переходів, виготовлених із кремнію (Si) та арсеніду галію (GaAs). Для розв’язання рівняння Пуассона було розроблено структуру самоузгодженого методу кінцевих елементів (FEM), яка явно включає температурно залежну статистику іонізації допанту. Моделювання було виконано для концентрацій легування 2×10¹⁵ см⁻³ та 2×10¹⁶ см⁻³ у широкому температурному діапазоні 100–300 К. Результати демонструють монотонне збільшення ємності переходу як із щільністю допанту, так і з температурою, коли варіації ємності перевищують 35–60% у досліджуваному температурному інтервалі, залежно від матеріальної системи та геометрії. При 100–150 K неповна іонізація зменшує ефективну концентрацію носія до 48% у Si та 41% у GaAs за концентрації 2×10¹⁶ см⁻³, що призводить до помітних відхилень у характеристиках C–V порівняно зі звичайними припущеннями повної іонізації. Навпаки, за 300 K ефективність іонізації перевищує 97%, що робить ефект неповної іонізації незначним. Геометричні залежності оцінювали для радіусів серцевини R = 0,5, 1,0 і 1,5 мкм. Крім того, p‑i‑n структури з власною товщиною шару i = 0,1, 0,3 і 0,5 мкм були проаналізовані при R = 1,5 мкм, виявлено, що збільшення власної товщини області пригнічує вплив неповної іонізації шляхом зменшення чутливості просторового заряду до активації допанту, знижуючи відхилення ємності більш ніж на 30%. Систематично порівнювали два режими моделювання: (A) повну іонізацію допанту та (B) залежну від температури неповну іонізацію.
Завантаження
Посилання
Sh. Qian, S. Misra, J. Lu, Z. Yu, L. Yu, J. Xu. J. Wang, et al., Appl. Phys. Lett. 107, 043902 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4926991
Z. Arefinia, A. Asgari, Solar Energy Materials and Solar Cells, 137, 146 (2015). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.01.032
O.V. Pylypova, A.A. Evtukh, P.V. Parfenyuk, I.I. Ivanov, I.M. Korobchuk, O.O. Havryliuk, and O.Yu. Semchuk, Opto-Electronics Review, 27(2), 143 (2019). https://doi.org/10.1016/j.opelre.2019.05.003
R. Ragi, R.V.T. da Nobrega, U.R. Duarte, and M.A. Romero, IEEE Trans. Nanotechnol. 15(4), 627 (2016). https://doi.org/10.1109/TNANO.2016.2567323
R.D. Trevisoli, R.T. Doria, M. de Souza, S. Das, I. Ferain, and M.A. Pavanello, IEEE Trans. Electron Devices, 59(12), 3510 (2012). https://doi.org/10.1109/TED.2012.2219055.
J. Sh. Abdullayev, I. B. Sapaev, J. Sh. Abdullayev, D. A. Juraev, M. J. Jalalov, E. E. Elsayed, Journal of Electronic Materials, 54 (2025), 1–9. https://doi.org/10.1007/s11664-025-12391-8.
D.H.K. Murthy, T. Xu, W.H. Chen, A.J. Houtepen, T.J. Savenije, L.D.A. Siebbeles, et al., Nanotechnology, 22(31), 315710 (2011). https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/31/315710
B. Pal, K.J. Sarkar, and P. Banerji, Solar Energy Materials and Solar Cells, 204, 110217 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110217
I. Aberg, G. Vescovi, D. Asoli, U. Naseem, J.P. Gilboy, C. Sundvall, and L. Samuelson, IEEE Journal of Photovoltaics, 6(1), 185 (2016). https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2484967
P. Dubey, B. Kaushik, and E. Simoen, IET Circuits, Devices & Systems, (2019). https://doi.org/10.1049/iet-cds.2018.5169
M.-D. Ko, T. Rim, K. Kim, M. Meyyappan, and C.-K. Baek, Scientific Reports, 5(1), 11646 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11646.
A.M. de Souza, D.R. Celino, R. Ragi, and M.A. Romero, Microelectronics J. 119, 105324 (2021). https://doi.org/10.1016/j.mejo.2021.105324.
J.Sh. Abdullayev, East European Journal of Physics, (1), 245-249 (2025). (https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-26).
Kutlieva, U. O., Sattarova, O. A., Setmetov, N. U., & Ismoilova, J. U. East European Journal of Physics, (3), 281–285 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-25
Qalandarova, D. A., Ibragimova, M. Sh., Salayev, U. G., Sapayev, I. B., Manarajabov, D. S., Madolimov, A. M., & Sattarova, O. A. (2026). Incomplete dopant ionization effects in GaN optical photovoltaic converters over 4–400 K for space solar energy applications. East European Journal of Physics, (2), 232–238 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-24
N.D. Akhavan, I. Ferain, P. Razavi, R. Yu, and J.-P. Colinge, Appl. Phys. Lett. 98(10), 103510 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3559625.
A.V. Babichev, H. Zhang, P. Lavenus, F.H. Julien, A.Y. Egorov, Y.T. Lin, and M. Tchernycheva, Applied Physics Letters, 103(20), 201103 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4829756.
Toktarbaily, O., Baysariev, M., Kaysha, A., Duisebaev, T., Ibraev, N., Serikov, T., Ibraimov, M., Khaniev, B., Tezekbay, Yu., Zhambyl, A., Nurazhe, N., and Sugurbekova, H. Eurasian Physical Technical Journal, 21(4(50), 131–139 (2024). (https://doi.org/10.31489/2024No4/131-139).
J.Sh. Abdullayev, Sapaev, I., Esanmuradova, N., Kadirov, S., & Kuliyev, S. East European Journal of Physics, (2), 220-225 (2025). (https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-2-24).
J.Sh. Abdullayev, Sapaev, I. B., & Kadirov, S. R. East European Journal of Physics, (2), 252-257 (2025). (https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-2-30).
Han, D.-P., Shin, D.-S., Shim, J.-I., Kamiyama, S., Takeuchi, T., Iwaya, M., & Akasaki, I. IEEE Journal of Quantum Electronics, 55(4), 1–11 (2019). https://doi.org/10.1109/JQE.2019.2917180
Makode, P. A., Muduli, S. P., & Kale, P. Materials Research Bulletin, 180, 113504 (2025). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2025.113504.
Abdullayev, J.S., Sapaev, I.B., Abdullayev, J.S. et al. J. Electron. Mater. 54, 10484–10492 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12391-8
Abdullayev, J. S., Sapaev, I. B., Kadirov, S. R., & Abdullayev, J. Sh. Journal of Electronic Materials, 54(10), 11607–11617 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12480-8
Sapaev, I. B., Razzokov, J. I., Abdullayev, J. S., Qalandarova, D. A., & Ibragimova, M. S. East European Journal of Physics, (4), 442-448 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-4-44
Perera, M. M., Lin, M.-W., Chuang, H.-J., Chamlagain, B. P., Wang, C., Tan, X., Cheng, et al., ACS Nano, 7(5), 4449–4458 (2013). https://doi.org/10.1021/nn401053g
Abdullayev, J.S., Qalandarova, D.A., Ibragimova, M.S. et al., J. Electron. Mater. 55, 2229–2239 (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12642-8
Haris, M., Loan, S. A., & Mainuddin. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 14(10), 1434–1444 (2019). https://doi.org/10.1166/jno.2019.2575
Liang, J., Miyazaki, T., Morimoto, M., Nishida, S., Watanabe, N., & Shigekawa, N. Applied Physics Express, 6(2), 021801 (2013). https://doi.org/10.7567/APEX.6.021801
Strzelecka, S., Pawlowska, M., Hruban, A., Gladysz, M., Wegner, E., Gladki, A., & Orlowski, W. in: Solid State Crystals: Growth and Characterization, edited by J. Zmija, A. Majchrowski, J. Rutkowski, & J. Zielinski, Vol. 3178, (SPIE, 1997), pp. 238–241. https://doi.org/10.1117/12.280741
Yu, T., Zhang, H., Li, D., & Lu, Y. RSC Advances, 11, 16040–16050 (2021). 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., et al., Semiconductors, 56, 122–133 (2022). https://doi.org/10.1134/S106378262201012X
Yamaguchi, M., Takamoto, T., Juso, H., Nakamura, K., Ozaki, R., & Kojima, N. in: Proceedings of the 2024 IEEE 52nd Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), (IEEE, 2024). https://doi.org/10.1109/PVSC57443.2024.10749502
Šagátová, A., Novák, A., Kováčová, E., Riabukhin, O., Kotorová, S., & Zaťko, B. AIP Conference Proceedings, 2778, 060009 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0137383
Liang, J., Chai, L., Nishida, S., Morimoto, M., & Shigekawa, N. Japanese Journal of Applied Physics, 54(3), 030211 (2015). https://doi.org/10.7567/JJAP.54.030211
Kamolov, J. J., Mirzayev, M. S., Fayziyev, Sh. Sh., & Samiev, K. A. in: BIO Web of Conferences, 84, 05019 (2024). https://doi.org/10.1051/bioconf/20248405019
Cressler, J. D. IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(3), 1992–2014 (2013). https://doi.org/10.1109/TNS.2013.2248167
Kamolov, J., Kakhkhorov, O., Niyozov, A., Ruzieva, M., & Arslonov, Q. in: Optical and Computational Technologies for Measurements and Industrial Applications (OptiComp 2025) (Proceedings of SPIE), vol. 13803, (SPIE, 2025). Article 1380315. https://doi.org/10.1117/12.3078035
Geng, P., Li, W., Zhang, X., Zhang, X., Deng, Y., & Kou, H. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(40), 40LT02 (2017). https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa85ad
Pässler, R. Physica Status Solidi (b), 236(3), 710–728 (2003). https://doi.org/10.1002/pssb.200301752
Yamada, A., Matsubara, K., Sakurai, K., Ishizuka, S., Hajime, H. T., Tomoyuki Baba, S., Kimura, Y., et al., MRS Proceedings, 865, (2005). https://doi.org/10.1557/PROC-865-F5.19
Авторське право (c) 2026 Ж.Ш. Абдуллаєв, Д.А. Каландарова, Ф.Т. Тураєв, Д.Х. Абдуллаєва, Я. Камолов, М.М. Махмудова, А.Б. Атаубаева, 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).
