Геометрично зумовлене підсилення електричного поля в планарних і радіальних Si/GaAs гетеропереходах за неповної іонізації
Анотація
Ця робота представляє комплексний електростатичний і транспортний аналіз планарних та радіальних Si/GaAs гетеропереходів у температурному діапазоні від кріогенних до кімнатних температур (20–300 K) із використанням самозгодженого розв’язання рівняння Пуассона та рівнянь неперервності носіїв заряду, реалізованих у сучасних програмних середовищах моделювання напівпровідникових приладів. Особливу увагу приділено ролі неповної іонізації домішок та її взаємозв’язку з геометрією переходу у формуванні розподілу електричного поля та транспортних характеристик носіїв заряду.
Отримані результати демонструють, що неповна іонізація суттєво впливає на електростатичну поведінку гетеропереходів за кріогенних температур, тоді як її вплив поступово зменшується поблизу кімнатної температури внаслідок посилення активації домішок. Для планарних гетеропереходів за умови повної іонізації максимальне електричне поле зменшується приблизно від 1.55×10³ В/см при 20 K до 8.5×10² В/см при 300 K. Урахування неповної іонізації призводить до зниження пікового поля приблизно на 50–100 В/см нижче 50 K, тоді як вище 200 K відхилення стають практично незначними. На відміну від цього, радіальні гетеропереходи характеризуються вираженою локалізацією електричного поля, зумовленою геометричним обмеженням, пов’язаним із кривизною структури. За умов неповної іонізації пікове електричне поле перебуває в межах 3.2×10⁴–3.6×10⁴ В/см, збільшуючись до 4.2×10⁴–4.6×10⁴ В/см у випадку повністю активованих домішок, що відповідає геометрично зумовленому підсиленню поля приблизно на 28–38%. Аналіз транспорту носіїв також виявив високу температурну чутливість інжекції неосновних носіїв, концентрація яких зростає майже на 7 порядків — від ~1×10² см⁻³ при 50 K до ~1×10⁹ см⁻³ при 300 K, тоді як концентрація основних носіїв залишається майже сталою на рівні ~1×10¹⁶ см⁻³. Радіальна архітектура додатково забезпечує локалізоване підсилення поля в області збіднення поблизу циліндричного інтерфейсу, що свідчить про ефективніше електростатичне обмеження порівняно з традиційними планарними конфігураціями. Отримані результати встановлюють комплексний взаємозв’язок між геометрією структури, активацією домішок та температурно-залежними механізмами транспорту під час формування характеристик Si/GaAs гетеропереходів і забезпечують надійну основу для оптимізації кріогенних оптоелектронних, наноелектронних та високопольових напівпровідникових пристроїв.
Завантаження
Посилання
Cariou, R., Benick, J., Feldmann, F., Höhn, O., Hauser, H., Beutel, P., and Dimroth, F. “III–V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency,” Nature Energy, 3, 326–333 (2018). https://doi.org/10.1038/s41560-018-0131-4
Yao, Z., Yang, G., Han, C., Moya, P. P., Ozkol, E., Yen, J., and Isabella, O. “Poly-SiOx passivating contacts with plasma-assisted N2O oxidation,” Solar RRL, 7(18), 2300186 (2023). https://doi.org/10.1002/solr.202300186
Mandal, N. C., Biswas, S., Acharya, S., Panda, T., Sadhukhan, S., Sharma, J. R., et al., “Properties of SiOx layers for passivation in TOPCon solar cells,” Materials Science in Semiconductor Processing, 119, 105163 (2020). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2020.105163
Kang, D., Sio, H. C., Stuckelberger, J., Yan, D., Phang, S. P., Liu, R., and Nguyen, H. T. “Firing stability of p- and n-type polysilicon passivating contacts,” Progress in Photovoltaics, 30(8), 970–980 (2022). https://doi.org/10.1002/pip.3521
Verma, M., Routray, S., Sahoo, G. S., and Mishra, G. P. “Optimization of a-Si thin film solar cell with passivation and c-Si cap layer,” Physica Status Solidi (A), 220(18), 2300213 (2023). https://doi.org/10.1002/pssa.202300213
Saini, A., Srivastava, S.K., Misra, P., and Dutta, M. “Fabrication Techniques of Silicon Microwire Arrays and Realization of Radial Junction Silicon Microwire Solar Cells,” in: Photon to Power. Progress in Optical Science and Photonics, edited by Ravindran, P., K. G., D., Asok, A., Shankar, D., Ahmed, A.J. (eds) vol 32. (Springer, Singapore, 2025). https://doi.org/10.1007/978-981-96-5914-2_19
Verma, M., and Mishra, G. P. “Electrical analysis of Ta₂O₅ vs SiO₂ tunneling oxides in passivated c-Si cells,” International Journal of High Speed Electronics and Systems, 30(1–2), 2140002 (2022). https://doi.org/10.1142/S0129156421400028
Sahoo, G. S., Harini, C., Mahadevi, N., Nethra, P. S., Tripathy, A., Verma, M., and Mishra, G. P. “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., and Ringel, S. A. “23.4% monolithic epitaxial GaAsP/Si tandem solar cell,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 230, 111299 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111299
Li, D., Luo, C., Wang, H., Ling, F., and Yao, J. “Active control of plasmon-induced transparency based on a GaAs/Si heterojunction in the terahertz range,” Optical Materials, 114, 111609 (2021). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111609
Hasan, M. N., Zheng, Y., Lai, J., Swinnich, E., Licata, O. G., Baboli, M. A., Mazumder, B., et al., “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
Jurisch, M., Börner, F., Bünger, T., Eichler, S., Flade, T., Kretzer, U., Köhler, A., Stenzenberger, J., and Weinert, B. “LEC- and VGF-growth of SI GaAs single crystals—Recent developments and current issues,” Journal of Crystal Growth, 275(1–2), 283 291 (2005). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.10.092
Herfort, J., Schönherr, H.-P., and Ploog, K. H. “Epitaxial growth of hybrid structures,” Applied Physics Letters, 83(18), 3912 3914 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1625426
Abdullayev, J. Sh. “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
Heun, S., Sugiyama, M., Maeyama, S., Watanabe, Y., Wada, K., and Oshima, M. “Growth of Si on different GaAs surfaces: A comparative study,” Physical Review B, 53, 13534–13541 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.13534
Saxena, P. K., Srivastava, P., and Srivastava, A. “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
Bardhan Roy, A., Rasulji Valiji, N. H., Mohammad, R., Giridhar, P., and Mondal, P. “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), (IEEE, 2024), pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/RAEEUCCI61380.2024.10547792
Piriyev, M., Loget, G., Léger, Y., Chen, L., Létoublon, A., Rohel, T., Levallois, C., et al., “Dual bandgap operation of a GaAs/Si photoelectrode,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 251, 112138 (2023). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112138
Jarndal, A., Rakib, F.R. and Alim, M.A. On efficient modeling of drain current for designing high-power GaN HEMT-based circuits. J. Comput. Electron. 23, 1355–1367 (2024). https://doi.org/10.1007/s10825-024-02225-x
Alanis, J., Gutiérrez-Ojeda, S. J., Méndez-Camacho, R., and Cruz-Hernández, E. “Theoretical investigation of the growth of GaAs on Si(001), Si(110), Si(111), Si(113), and Si(331),” Surfaces and Interfaces, 44, 103792 (2024). https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103792
Huang, R., Wang, Q., Guo, Y., and Wang, Z. “Comparative study on GaAs/Si heterojunction fabricated by nitrogen and oxygen plasma activated bonding,” Vacuum, 208, 111735 (2023). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111735
Yamaguchi, M., Takamoto, T., Juso, H., Nakamura, K., Ozaki, R., and Kojima, N. “33.7% efficiency Si tandem solar cell modules,” in: Proceedings of the 2024 IEEE 52nd Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), (IEEE, 2024). https://doi.org/10.1109/PVSC57443.2024.10749502
Liang, J., Chai, L., Nishida, S., Morimoto, M., and Shigekawa, N. “Investigation on the interface resistance of Si/GaAs heterojunctions fabricated by surface-activated bonding,” Japanese Journal of Applied Physics, 54(3), 030211 (2015). https://doi.org/10.7567/JJAP.54.030211
Haris, M., Loan, S. A., and Mainuddin. “Si/GaAs hetero junction tunnel FET: Design and investigation,” 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., and Shigekawa, N. “Electrical properties of p-Si/n-GaAs heterojunctions by using surface-activated bonding,” 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., and Orlowski, W. “Investigation of As-precipitates in SI GaAs,” in: Solid State Crystals: Growth and Characterization, edited by J. Zmija, A. Majchrowski, J. Rutkowski, and J. Zielinski, vol. 3178, (SPIE, 1997). pp. 238–241. https://doi.org/10.1117/12.280741
Sapaev, I. B., Razzokov, J. I., Abdullayev, J. S., Qalandarova, D. A., and Ibragimova, M. S. “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
Abdullayev, J.S., Qalandarova, D.A., Ibragimova, M.S. et al., “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
Yu, T., Zhang, H., Li, D., and Lu, Y. “Electronic and optical properties of silicene on GaAs(111) with hydrogen intercalation: A first-principles study,” 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., “Comparison of III–V heterostructures grown on Ge/Si, Ge/SOI, and GaAs,” Semiconductors, 56, 122–133 (2022). https://doi.org/10.1134/S106378262201012X
Huang, R., Wang, Z., Wu, K., Xu, H., Wang, Q., and Guo, Y. “Hybrid bonding of GaAs and Si wafers at low temperature by Ar plasma activation,” Journal of Semiconductors, 45(4), 042701 (2024). https://doi.org/10.1088/1674-4926/45/4/042701
Seaford, M.L., Tomich, D.H., Eyink, K.G. et al., “Comparison of GaAs grown on standard Si (511) and compliant SOI (511),” J. Electron. Mater. 29, 906–908 (2000). https://doi.org/10.1007/s11664-000-0179-0
Abdullayev, J.S., Sapaev, I.B., Abdullayev, J.S. et al., “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
Baruah, S., Borah, J., Bora, J. et al. “Optical modelling of a GaAs/GaSb core–shell cone-topped octagonal-faced nanopillar array with periodic trapezoidal textured cut for high photon trapping efficiency,” J. Comput. Electron. 21, 882–894 (2022). https://doi.org/10.1007/s10825-022-01898-6
Ćalasan, M. Mathematical modeling of solar cells: novel approaches based on Special Trans Function Theory. J. Comput. Electron. 23, 1137–1147 (2024). https://doi.org/10.1007/s10825-024-02190-5
Ramnarayan, Singh, R., Yadav, P. et al. “Numerical modelling of the surface plasmon modes of a circular cylindrical three-layer graphene waveguide,” J. Comput. Electron. 24, 15 (2025). https://doi.org/10.1007/s10825-024-02250-w
Abdullayev J. Sh., Qalandarova D. A., and Ibragimova M. Sh. “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
Abdukarimov, A., Rakhmonov, U. S., and Turaev, F. Z. “Dynamic response of the system to external influences,” in: AIP Conference Proceedings (Vol. 2612, Issue 1, Article 030017). https://doi.org/10.1063/5.0117527
Rakhmonov, U. S., and Matyakubov, Z. K. “Carleman's formula for the matrix domains of Siegel,” Chebyshevskii Sbornik, 23(4), 126–135 (2022). https://doi.org/10.22405/2226-8383-2022-23-4-126-135
Matyakubov, Z. K., Rakhmonov, U. S., Abdullayev, J. S., and Kuromboev, K. “On the Carleman formula for an unbounded matrix domain associated with the classical domain of the second type,” Boletim da Sociedade Paranaense de Matematica, 44(3), 1–8 (2026). https://doi.org/10.5269/bspm.79871
Alanis, J., Gutiérrez-Ojeda, S. J., Méndez-Camacho, R., and 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
Jahromi, H. D., Zeiri, N., and Lotfiani, A. “CMOS-integrated UV phototransistor utilizing a novel p-GaAs/p-Si staggered heterojunction,” Journal of Science: Advanced Materials and Devices, 10(3), 100891 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2025.100891
Kumar, T.R., and Priya, G.L. “Temperature and interface trap-induced variations in RF analog and linearity performance of a drain-scaled Si/GaAs uniform tunnel FET dengue nano-biosensor,” Microsyst. Technol. 32, 21 (2026). https://doi.org/10.1007/s00542-025-05976-0
Abdullayev, J. Sh., and Sapaev, I. B. “Experimental and analytical investigation of incomplete ionization in p-Si/n-CdS heterojunctions at cryogenic temperatures,” Next Materials, 13, 102741 (2026). https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2026.102741
Geng, P., Li, W., Zhang, X., Zhang, X., Deng, Y., and Kou, H. “A novel theoretical model for the temperature dependence of band gap energy in semiconductors,” Journal of Physics D: Applied Physics, 50(40), 40LT02(2017). https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa85ad
Pässler, R. “Semi‐empirical descriptions of temperature dependences of band gaps in semiconductors,” Physica Status Solidi (b), 236(3), 710–728 (2003). https://doi.org/10.1002/pssb.200301752
Perera, M. M., Lin, M.-W., Chuang, H.-J., Chamlagain, B. P., Wang, C., Tan, X., Cheng, M. M.-C., et al., “Improved Carrier Mobility in Few-Layer MoS2 Field-Effect Transistors with Ionic-Liquid Gating,” ACS Nano, 7(5), 4449–4458 (2013). https://doi.org/10.1021/nn401053g
Musolino, M., Tahraoui, A., Treeck, D. van, Geelhaar, L., and Riechert, H. “A modified Shockley equation taking into account the multi-element nature of light emitting diodes based on nanowire ensembles,” Nanotechnology, 27(27), 275203 (2016). https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/27/275203
Han, D.-P., Shin, D.-S., Shim, J.-I., Kamiyama, S., Takeuchi, T., Iwaya, M., and Akasaki, I. “Modified Shockley Equation for GaInN-Based Light-Emitting Diodes: Origin of the Power- Efficiency Degradation Under High Current Injection,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 55(4), 1–11 (2019). https://doi.org/10.1109/JQE.2019.2917180
Ali, N. M., Allam, N. K., Abdel Haleem, A. M., and Rafat, N. H. “Analytical modeling of the radial pn junction nanowire solar cells,” Journal of Applied Physics, 116(2), (2014). https://doi.org/10.1063/1.4886596
Авторське право (c) 2026 Дж.Ш. Абдуллаєв, Б. Уралов, М.Ш. Ібрагімова, Б. Таджибаєв, М. Ф. Атаєва, Г. Боймуродов, С.Й. Юсупов
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).
