Фундаментальна роль неповної іонізації донорів у визначенні електростатики та ємнісних характеристик гетеропереходів n-β-Ga₂O₃/p-Si
Анотація
Неповна іонізація домішок суттєво впливає на електростатику та ємність гетеропереходів n-типу β-Ga₂O₃ / p-типу Si, особливо за кріогенних температур. Використовуючи фізично обґрунтовану модель, що враховує температурно- та концентраційно-залежну іонізацію, вирівнювання зон і деградацію рухливості, досліджено вплив мілких і глибоких донорів/акцепторів на ширину збідненого шару, ємність переходу та пікове електричне поле в діапазоні 77–300 К. Для переходів із помірним рівнем легування (NA=ND= 4×10¹⁷ см⁻³) ефект «заморожування» носіїв при 100 К зменшує пряму ємність приблизно на 17%, збільшує ширину збідненого шару приблизно на 0,10 мкм і знижує пікове електричне поле приблизно на 0,5 МВ/см, тоді як у сильно легованих структурах (NA = ND = 1×10¹⁸ см⁻³) спостерігаються значно менші зміни (<5%). Температурно-залежне моделювання демонструє поступову активацію домішок у діапазоні 150–250 К із майже повною іонізацією вище 300 К, що підтверджує узгодження з моделями повної іонізації. Ємність при прямому зміщенні має гіперболічну залежність від напруги (C ∝ 1/√ΔV) та зменшується на 20–25% за екстремальних напруг. Отримані результати дають кількісне уявлення про вплив ефекту заморожування на розподіл носіїв заряду, електростатику та характеристики переходу, забезпечуючи прогностичну основу для проєктування високовольтних, кріогенних та надширокозонних напівпровідникових пристроїв.
Завантаження
Посилання
Krishna, S., Lu, Y., Liao, C.-H., Khandelwal, V., and Li, X. “Band alignment of orthorhombic Ga₂O₃ with GaN and AlN semiconductors,” Applied Surface Science, 599, 153901 (2022). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153901
Sun, Y., Kang, X., Zheng, Y., Lu, J., Tian, X., Wei, K., Wu, H., Wang, W., Liu, X., and Zhang, G. “Review of the recent progress on GaN-based vertical power Schottky barrier diodes (SBDs),” Electronics, 8(5), 575 (2019). https://doi.org/10.3390/electronics8050575
Kim, M., Park, J., Yu, M., Baik, K. H., and Jang, S. “Ultraviolet photoresponse and electroluminescence of exfoliated Ga₂O₃ flake on p-type GaN,” ECS Journal of Solid State Science and Technology, 14(2), 025002 (2025). https://doi.org/10.1149/2162-8777/adb20e
Ma, Y., Chen, T., Zhang, X., Tang, W., Feng, B., Hu, Y., Zhang, L., et al., “High-photoresponsivity self-powered a-, ε-, and β-Ga₂O₃/p-GaN heterojunction UV photodetectors with an in situ GaON layer by MOCVD,” ACS Applied Materials and Interfaces, 14(30), 35194–35204 (2022). https://doi.org/10.1021/acsami.2c06927
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
Zheng, Y., and Seo, J.-H. “A simplified method of measuring thermal conductivity of β-Ga₂O₃ nanomembrane,” Nano Express, 1(3), 030010 (2020). https://doi.org/10.1088/2632-959X/abc1c4
Qalandarova D. A., Ibragimova, M. S., Abdullayev, J. S., and Sapaev, I. B. “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
Abdullayev J. S., Ibragimova, M. S., Abdullayev, J. S., and Sapaev, I. B. “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
Abdullayev J. S., Ibragimova M. S., Abdullayev, J. S., and Sapaev, I. B. “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
Abdullayev, J. Sh., Babajanov, L., Babayazova, N., Sapaev, I., Ruzmetov, K. S., and Esanov, E. “Self-consistent Fowler–Nordheim tunneling modeling in Si/GaAs heterostructures with optimized nanoscale meshing,” East European Journal of Physics, (2), 147 155 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-14
Abdullayev, J.Sh., Qalandarova, D., Ibragimova, M., Akberadjiyeva, U., Yunusova, D., Jumaboyeva, Z., Shoyusupov, S., et al., “Critical size and doping thresholds governing band gap evolution in semiconductors,” East European Journal of Physics, (2), 203–211 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-21
Khalifa, M., Khadija, H., Bouzidi, C. et al., “Morphological, Optical, and Crystalline Analysis of ZnTiO3 Nanostructures Deposited on Porous Silicon Substrate,” Silicon, 15, 2745–2752 (2023). https://doi.org/10.1007/s12633-022-02219-z
Meyers, V., Voss, L., Flicker, J. D., Rodriguez, L. G., Hjalmarson, H. P., Lehr, J., Gonzalez, N., et al., “Photoconductive semiconductor switches: Materials, physics, and applications,” Applied Sciences, 15(2), 645 (2025). https://doi.org/10.3390/app15020645
Abdullayev, J. S., Sapaev, I. B., Abdullayev, J. Sh., Juraev, D. A., Jalalov, M. J., and Elsayed, E. E. “Mathematical modeling of incomplete ionization in radial p-Si/n-GaAs heterojunctions: Temperature and doping effects,” Journal of Electronic Materials, 54, 10484–10492 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12345-2
Elshafie, H., Alqahtani, A.S., Mubarakali, A. et al., “Self-Heating Effects and Electron Mobility Dynamics in Sub-10 nm β-(AlxGa1− x)2O3/Ga2O3 Modulation Doped TMG-FET,” J. Electron. Mater. 54, 7760–7774 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12128-7
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 Temp. Phys. 51, 60–64 (2025). https://doi.org/10.1063/10.0034646
Zhang, Q., Liu, Y., Li, H., Wang, J., Wang, Y., Cheng, F., Han, H., et al., “A review of SiC sensor applications in high-temperature and radiation extreme environments,” Sensors, 24(23), 7731 (2024). https://doi.org/10.3390/s24237731
Saidov, A., Kutlimratov, A., Rakhmonov, U., Turgunov, O., Saparov, D., and Saliev, T. “Electrophysical properties of diamond films deposited on silicon substrates by HFCVD method,” Physical Sciences and Technology, 13(1–2), 28–34 (2026). https://doi.org/10.26577/phst20261313
Pässler, R. “Dispersion-related description of temperature dependencies of band gaps in semiconductors,” Physical Review B, 66(8), 085201 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.085201
Wang, Y., Sun, Z., and Mei, B. “Intrinsic ferroelectricity in ɛ-Ga₂O₃: Experimental and theoretical insights,” Advanced Functional Materials, Early View, e24055 (2025). https://doi.org/10.1002/adfm.202524055
J.Sh. Abdullayev, Sapaev, I. B., and Kadirov, S. R., “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
Abejide, F.H., Ajayi, A.A., Akinsola, S.I. et al., “Properties of gallium oxide thin film prepared on silicon substrate by spray pyrolysis method,” J. Mater. Sci. 57, 21135–21142 (2022). https://doi.org/10.1007/s10853-022-07952-9
Zhang, H., Deng, J., He, Y. et al., “Effects of annealing and Nb doping on the electrical properties of p-Si/n-β-Ga2O3:Nb heterojunction,” J. Mater. Sci: Mater. Electron. 29, 19028–19033 (2018). https://doi.org/10.1007/s10854-018-0028-7
Ma, J., Meng, F., Xu, D., Hu, R., and Luo, X. “Electron mobility and mode analysis of scattering for β-Ga₂O₃ from first principles,” Journal of Physics: Condensed Matter, 32(46), 465704 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-648X/aba8ca
J.Sh. Abdullayev, Sapaev, I., Esanmuradova, N., Kadirov, S., and 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, Abdullayeva, L., Agamalieva, L., and Ismailova, R. “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
Harmanci, U., Gulluoglu, M.T., Aslan, F. et al., “Solar-blind ultraviolet photodetector based on Ti-doped Ga2O3/Si p–n heterojunction,” J. Mater. Sci: Mater. Electron. 33, 20223–20228 (2022). https://doi.org/10.1007/s10854-022-08840-3
Lambrechts, W., and Sinha, S. “A review on Si, SiGe, GaN, SiC, InP and GaAs as enabling technologies in EW and space,” in: SiGe-based re-engineering of electronic warfare subsystems (Signals and Communication Technology). (Springer, Cham. 2016), pp. 233–267. https://doi.org/10.1007/978-3-319-47403-8_10
Hsu, L.-H., Lai, Y.-Y., Tu, P.-T., Langpoklakpam, C., Chang, Y.-T., Huang, Y.-W., Lee, et al., “Development of GaN HEMTs fabricated on silicon, silicon-on-insulator, and engineered substrates and the heterogeneous integration,” Micromachines, 12(10), 1159 (2021). https://doi.org/10.3390/mi12101159
Ploog, K. H., Brandt, O., Yang, H., Yang, B., and Trampert, A. “Nucleation and growth of GaN layers on GaAs, Si, and SiC substrates,” Journal of Vacuum Science and Technology B, 16(6), 2229–2236 (1998). https://doi.org/10.1116/1.590153
Abdullayev, J. S., Qalandarova, D. A., Ibragimova, M. S., Sapaev, I. B., and Razzokov, J. I. “Experimental and simulation-based investigation of p-Si/n-CdS heterojunctions: From cryogenic freeze-out to room temperature operation,” Journal of Electronic Materials, 55, 2229–2239 (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12642-8
Kim, M.J., Park, J.H., Kim, H.W. et al., “Optimization of Si-Doped β-Ga2O3 Ceramic Targets for High-Performance Thin-Film Deposition,” J. Electron. Mater. (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12524-z
Leone, S., Fornari, R., Bosi, M., Montedoro, V., Kirste, L., Doering, P., Benkhelifa, F., et al., “Epitaxial growth of GaN/Ga₂O₃ and Ga₂O₃/GaN heterostructures for novel high electron mobility transistors,” Journal of Crystal Growth, 534, 125511(2020). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125511
Zhang, Q., Gao, H.L., Deng, J.X. et al., “The performance of ultraviolet solar-blind detection of p-Si/n-Ga2O3 heterojunctions with/without hole-blocking layer,” J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 35, 1125 (2024). https://doi.org/10.1007/s10854-024-12897-7
Abdullayev, J. S., Sapaev, I. B., Kadirov, S. R., and Abdullayev, J. Sh. “Modeling of optoelectronic properties in pSi/n-CdmZn1−mS heterojunctions: Effects of composition and temperature,” Journal of Electronic Materials, 54, 11607–11617 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12480-8
Akyol, F., and Ozden, H. “Chemical vapor deposition growth of β-Ga₂O₃ on Si- and C-face off-axis 4H–SiC at high temperature,” Materials Science in Semiconductor Processing, 170, 107968 (2024). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107968
Autran, J.-L., and Munteanu, D. “Comparative radiation response of GaN and Ga₂O₃ exposed to ground-level neutrons,” Crystals, 14(2), 128 (2024). https://doi.org/10.3390/cryst14020128
Bian, D., and Luan, S. “Design and research of high voltage β-Ga₂O₃/4H-SiC heterojunction LDMOS,” Engineering Research Express, 6(4), 045338 (2024). https://doi.org/10.1088/2631-8695/ad8f16
Devi, K. N., Hariprasad, S., Natarajan, R., Chinnaswamy, S., and Ravi, S. “Investigating the impact of Fe-doped GaN and β-Ga₂O₃ buffer layers on a laterally scaled AlN/GaN HEMT using silicon carbide substrate for next-generation RF electronics,” Journal of Electronic Materials, 54(12), 2355–2367 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11672-y
Hishiki, F., Akiyama, T., Kawamura, T., and Ito, T. “Structures and stability of GaN/Ga₂O₃ interfaces: A first-principles study,” Japanese Journal of Applied Physics, 61(6), 065501 (2022). https://doi.org/10.35848/1347-4065/ac5e90
Vu, T. K. O., Van, H. B., Tu, N. X., Kha, N. V., Phuong, B. T. T., Hien, N. T. M., and Kim, E. K. “High performance of self-powered Ga₂O₃:Si/p-GaN heterojunction UV photodetectors,” Materials Science in Semiconductor Processing, 193, 109479 (2025). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.109479
Abdullayev, J. Sh., Sapaev, I., Abdikayimova, G., Akhmadaliev, S., Gulomova, M., Kholbekov, S., and Ruzmetov, K. S. “Modeling the impact of incomplete dopant ionization on built-in potential and C–V characteristics of GaN p–n junctions: A SCAPS-1D study,” East European Journal of Physics, (2), 251–259 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-27
Abdullayev, J.Sh., Abdullayev, J.S., Sapaev, I.B. et al., “Composition-Driven Band Engineering and Temperature Effects in pSi/nCdmZn1−mS Heterojunctions,” J. Electron. Mater. 55, 3795–3806 (2026). https://doi.org/10.1007/s11664-026-12702-7
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
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
Huang, L., Guo, J., Ge, Z.-H., Jiang, Y., and Feng, J. “Significantly reduced lattice thermal conductivity and enhanced thermoelectric performance of In₂O₃(ZnO)₃ ceramics by Ga₂O₃ doping,” Journal of Solid State Chemistry, 281, 121022 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jssc.2019.121022
Kelly, F. P., Landi, M. M., Vesto, R. E., Tadjer, M. J., Hobart, K. D., and Kim, K. “Epitaxial growth of GaN on β-Ga₂O₃ via RF plasma nitridation,” Journal of Applied Physics, 136(15), 155701 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0233590
Qu, A., Xie, Z., Wang, Y., Hu, G., and Tan, C.-K. “Effect of acceptor-type traps in GaN buffer layer on current collapse of ε-Ga₂O₃/GaN HEMTs,” Journal of Electronic Materials, 54, 3086–3096 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-11823-9
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
Hwang, T.J., and Kim, J.S. “Crystallinity and optical properties of post-annealed Ga2O3 thin films deposited under varying oxygen partial pressures,” J. Korean Phys. Soc. 87, 386–393 (2025). https://doi.org/10.1007/s40042-025-01423-5
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
Авторське право (c) 2026 Д.А. Каландарова, Д.А. Сапарбаєва, А.А. Медатов, Г.Т. Заріпов, М. Зіяєва, С. Теміров, К.Р. Саттаркулов, Ш. Саїдова
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).
