techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-3-91-107techusgu-343Research ArticleФИЗИКАPHYSICSЭлектрические свойства контактов Ni-GaAs, получаемых методом электролизаElectrical properties of Ni-GaAs contacts obtained by electrolysishttps://orcid.org/0000-0003-4323-351XФилипповВ. В.FilippovV. V.

Владимир Владимирович Филиппов, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры

кафедра физики и биомедицинской техники; кафедра математики и физики; кафедра естественных и технических наук

398055; ул. Московская, д. 30; 398020; ул. Ленина, д. 42; 398006; ул. Краснознаменная, влд. 4; Липецк

Vladimir V. Filippov, Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor, Professor of the Department

Department of Physics and Biomedical Engineering; Department of Mathematics and Physics; Department of Natural and Technical Sciences

398055; 30 Moskovskaya Str.; 398020; 42 Lenina Str.; 398006; 4 Krasnoznamennaya Str.; Lipetsk

wwfilippow@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9788-6500ЛузянинС. Е.LuzyaninS. E.

Сергей Евгеньевич Лузянин, кандидат физико-математических наук, доцент

кафедра математики и физики

398020; ул. Ленина, д. 42; Липецк

Sergey E. Luzyanin, Сandidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor

Department of Mathematics and Physics

398020; 42 Lenina Str.; Lipetsk

luzyanin_se@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8212-2447БакеевД. А.BakeevD. A.

Дмитрий Александрович Бакеев, аспирант

кафедра математики и физики

398020; ул. Ленина, д. 42; Липецк

Dmitry A. Bakeev, Postgraduate Student

Department of Mathematics and Physics

398020; 42 Lenina Str.; Lipetsk

bakeev.98@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-3498-1308КлиментьевВ. В.KlimentyevV. V.

Вадим Владимирович Климентьев, преподаватель

кафедра математики и физики

398020; ул. Ленина, д. 42; Липецк

Vadim V. Klimentyev, Lecturer

Department of Mathematics and Physics

398020; 42 Lenina Str.; Lipetsk

i@vklim.ruЛипецкий государственный технический университет; Липецкий государственный педагогический университет имени П.П. Семенова-Тян-Шанского; Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (Первый казачий университет), Липецкий казачий институт технологий и управления (филиал)РоссияLipetsk State Technical University; Lipetsk State Pedagogical University named after P.P. Semenov-Tyan-Shansky; Moscow State University of Technologies and Management named after K.G. Razumovsky (First Cossack University), Lipetsk Cossack Institute of Technology and Menedgement (branch)Russian FederationЛипецкий государственный педагогический университет имени П.П. Семенова-Тян-ШанскогоРоссияLipetsk State Pedagogical University named after P.P. Semenov-Tyan-ShanskyRussian Federation20250412202515391107Copyright © Филиппов В.В., Лузянин С.Е., Бакеев Д.А., Климентьев В.В., 20252025Филиппов В.В., Лузянин С.Е., Бакеев Д.А., Климентьев В.В.Filippov V.V., Luzyanin S.E., Bakeev D.A., Klimentyev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/343   Цель

   Цель. Контакты металл – полупроводник составляют основу современной твердотельной электроники.

   В представленной работе целью является исследование электрических свойств контактных структур Ni-GaAs, полученных электрохимическим методом.

   Основной задачей являлось изучение влияния типа примеси и степени легирования полупроводниковых кристаллов на вольт-амперные характеристики контактов металл – полупроводник.

   Методы

   Методы. Объектом исследования выбраны никелевые контакты к кристаллическому арсениду галлия, полученные капельным электрохимическим методом.

   Для практического изготовления контактных структур металл – полупроводник использовался раствор Уоттса в режиме малых плотностей токов. С помощью сканирующей туннельной микроскопии изучена топография поверхности образованных пленок. Электрические параметры полупроводников определены контактными методами ван дер Пау. Учет сопротивления растекания тока в области контактов учитывался посредством аналитического решения уравнения Лапласа с краевыми условиями Неймана на границах.

   Результаты

   Результаты. Получены и проанализированы экспериментальные ВАХ исследуемых контактов Ni-GaAs. С использованием математической модели распределения потенциала в области образцов и экспериментальных данных вычислены сопротивления контактов никель – арсенид галлия и построены их вольт-амперные характеристики. Представлены энергетические модели контактов металл – полупроводник в случае невырожденного и вырожденного GaAs, поясняющие электрические свойства полученных структур.

   Заключение

   Заключение. Показано, что полученные контактные структуры Ni-p-GaAs на основе невырожденных полупроводников проявляют омические свойства, а вольт-амперные характеристики контактов Ni-n-GaAs имеют нелинейную область, характерную для диодов Шотки. Полученные электрохимические контактные структуры Ni-GaAs с полупроводниками с различным типом примесей при концентрации носителей выше 1025 м-3 имеют только линейные вольт-амперные характеристики, то есть проявляются омические свойства.

   Purpose

   Purpose. Metal-semiconductor contacts form the basis of modern solid-state electronics.

   In the presented work the aim is to study the electrical properties of Ni-GaAs contact structures obtained by electrochemical method.

   The main task was to study the influence of impurity type and doping degree of semiconductor crystals on the current-voltage characteristics of metal-semiconductor contacts.

   Methods

   Methods. The object of the study is nickel contacts to crystalline gallium arsenide obtained by the drop electrochemical method.

   For the practical production of metal-semiconductor contact structures, a Watts solution was used in the low-current density mode. The surface topography of the formed films was studied using scanning tunnel microscopy. The electrical parameters of the semiconductors were determined by Van der Pauw contact methods. The resistance of current spreading in the contact region was taken into account by means of an analytical solution of the Laplace equation with Neumann boundary conditions on the boundaries.

   Results

   Results. Experimental current-voltage characteristics of the investigated Ni-GaAs contacts are obtained and analyzed. Using a mathematical model of potential distribution in the sample area and experimental data, the resistances of nickel-gallium arsenide contacts are calculated and their volt-ampere characteristics are constructed. Energy models of metal-semiconductor contacts in the case of non-degenerate and degenerate GaAs are presented, explaining the electrical properties of the obtained structures.

   Conclusion

   Conclusion. It is shown that the obtained Ni-p-GaAs contact structures based on non-degenerate semiconductors exhibit ohmic properties, and the volt-ampere characteristics of the Ni-n-GaAs contacts have a nonlinear region, characteristic of Schottky diodes. The obtained electrochemical contact structures of Ni-GaAs with semiconductors of different types of impurities at a carrier concentration above 1025 m-3 have only linear volt-ampere characteristics, i. e. ohmic properties are manifested.

никелевые контактыконтакт металл – полупроводниквольт-амперная характеристикавырожденный полупроводникnickel contactsmetal-semiconductor contactcurrent-voltage characteristicdegenerate semiconductorReferencesSze S.M., Li Y., Ng K.K. Physics of semiconductor devices. 4<sup>th</sup> ed. New Jersey: Wiley, 2021. 944 р.Sze S. M., Li Y., Ng K. K. Physics of semiconductor devices. 4<sup>th</sup> ed. New Jersey: Wiley; 2021. 944 р.Rudan M. Physics of semiconductor devices. New York: Springer New York, 2015. 649 p. doi: 10.1007/978-1-4939-1151-6.Rudan M. Physics of semiconductor devices. New York: Springer; 2015. 649 p. doi: 10.1007/978-1-4939-1151-6.Blank T.V., Gol’dberg Y.A. Mechanisms of current flow in metal-semiconductor ohmic contacts // Semiconductors. 2007. Vol. 41, no. 11. P. 1263–1292. doi: 10.1134/S1063782607110012.Blank T.V., Gol’dberg Y.A. Mechanisms of current flow in metal-semiconductor ohmic contacts. Semiconductors. 2007;41(11):1263–1292. doi: 10.1134/S1063782607110012.ToF-SIMS analysis of Au/Ge/Ni Ohmic Contacts for n GaAs / A. Prado, A.L. Manzano, L. Alarcon, O. Grizzi, H. Pastoriza // 24<sup>th</sup> International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS-24). La Rochelle, 2024. 1 p. doi: 10.13140/RG.2.2.12869.87528.Prado A., Manzano A.L., Alarcon L., Grizzi O., Pastoriza H. ToF-SIMS analysis of Au/Ge/Ni ohmic contacts for n GaAs. 24<sup>th</sup> International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS-24). La Rochelle; 2024. 1 p. doi: 10.13140/RG.2.2.12869.87528.Electrical and optical properties of schottky diodes fabricated by electrodeposition of Ni films on n-GaAs / M. Haciismailoglu, M. Ahmetoglu, M. Haciismailoglu, M. Alper, T. Batmaz // Sensors and Actuators A: Physical. 2022. Vol. 347. P. 113931. doi: 10.1016/j.sna.2022.113931.Haciismailoglu M., Ahmetoglu M., Haciismailoglu M., Alper M., Batmaz T. Electrical and optical properties of schottky diodes fabricated by electrodeposition of Ni films on n-GaAs. Sensors and Actuators A: Physical. 2022;347:113931. doi: 10.1016/j.sna.2022.113931.Shur M. Physics of Semiconductor Devices. Prentice Hall, 1990. 680 p.Shur M. Physics of semiconductor devices. Prentice Hal; 1990. 680 p.Lebedev M.V. Modification of the atomic and electronic structure of III–V semiconductor surfaces at interfaces with electrolyte solutions (Review) // Semiconductors. 2020. Vol. 54. P. 699–741 p. doi: 10.1134/S1063782620070064.Lebedev M.V. Modification of the atomic and electronic structure of III–V semiconductor surfaces at interfaces with electrolyte solutions (Review). Semiconductors. 2020:54;699-741. doi: 10.1134/S1063782620070064.Phase formation between Ni thin films and GaAs substrate / R. Selma, C. Perrin, S. Zhiou, M. Benoudia, M. Texier, K. Hoummada // Scripta Materialia. 2017. Vol. 141. P. 28-31. doi: 10.1016/j.scriptamat.2017.07.011.Selma R., Perrin C., Zhiou S., Benoudia M., Texier M., Hoummada K. Phase formation between Ni thin films and GaAs substrate. Scripta Materialia. 2017;141:28-31. doi: 10.1016/j.scriptamat.2017.07.011.Electrochemical formation and surface topography of Nickel nanofilms on Copper / V.V. Filippov, S.E. Luzyanin, D.A. Bakeev, M.B. Smirnov // 2022 4<sup>th</sup> International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). Lipetsk: IEEE, 2022. P. 770-774. doi: 10.1109/summa57301.2022.9973884.Filippov V.V., Luzyanin S.E., Bakeev D.A., Smirnov M.B. Electrochemical formation and surface topography of nickel nanofilms on copper. 2022 4<sup>th</sup> International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). Lipetsk: IEEE; 2022. 770-774. doi: 10.1109/summa57301.2022.9973884.Au/Ni-Au as a contact for p-type GaAs / S. Jones, E. Bancroft, S. Jarvis, M. Hayne // Semiconductor Science and Technology. 2024. Vol. 39, is. 12. P. 12501. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/ad8df7.Jones S., Bancroft E., Jarvis S., Hayne M. Au/Ni-Au as a contact for p-type GaAs. Semiconductor Science and Technology. 2024;39(12):12501. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/ad8df7.Bari G.A. Electrodeposition of Nickel // Modern Electroplating / ed. by M. Schlesinger, M. Paunovic. 5<sup>th</sup> ed. New York: John Wiley & Sons, 2010. P. 79-111. doi: 10.1002/9780470602638.ch3.Bari G.A. Electrodeposition of Nickel. In: Schlesinger M., Paunovic M. (eds.) Modern electroplating. 5<sup>th</sup> Ed. New York: John Wiley & Sons; 2010. Р. 79-111. doi: 10.1002/9780470602638.ch3.Nickel Plating Handbook. Toronto: Nickel Institute, 2022. 104 p.Nickel plating handbook. Toronto: Nickel Institute; 2022. 104 p.Условия формирования и топология поверхности никелевых нанопленок на меди / В.В. Филиппов, С.Е. Лузянин, Е.С. Нефедова, Д.В. Токарева // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 3. С. 59–76.Filippov V.V., Luzyanin S.E., Nefedova E.S., Tokareva D.V. Formation conditions and surface topography of Nickel nanofilms on Copper. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2021;11(3):59-76. (In Russ.)Chen J. Introduction to scanning tunneling microscopy. 3<sup>rd</sup> ed. Oxford: Oxford University Press, 2021. 496 p. doi: 10.1093/oso/9780198856559.001.0001.Chen J. Introduction to scanning tunneling microscopy. 3<sup>rd</sup> ed. Oxford: Oxford University Press; 2021. 496 p. doi: 10.1093/oso/9780198856559.001.0001.Логинов Б.А., Логинов П.Б., Логинов В.Б. Зондовая микроскопия: применения и рекомендации по разработке // Наноиндустрия. 2019. Т. 12, № 6. С. 352-365. doi: 10.22184/1993-8578.2019.12.6.352.364.Loginov B.A., Loginov P.B., Loginov V.B. Probe microscopy: applications and recommendations for development. Nanoindustriya = Nanoindustry. 2019;12(6):352-365. (In Russ.) doi: 10.22184/1993-8578.2019.12.6.352.364.Filippov V.V., Mitsuk S.V., Luzyanin S.E. Measuring the resistance of metal-semiconductor contacts produced by drop electrochemical method // 2<sup>nd</sup> International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency, (SUMMA) 2020. Lipetsk: IEEE, 2020. P. 871-875. doi: 10.1109/SUMMA50634.2020.9280818.Filippov V.V., Mitsuk S.V., Luzyanin S.E. Measuring the resistance of metal-semiconductor contacts produced by drop electrochemical method. In: 2<sup>nd</sup> International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). Lipetsk: IEEE; 2020. Р. 871-875. doi: 10.1109/SUMMA50634.2020.9280818.Филиппов В.В., Лузянин С.Е., Мицук С.В. Методы решений уравнений Лапласа и Пуассона применительно к электродинамике полупроводников. Липецк: Липец. гос. пед. ун-т имени П.П. Семёнова-Тян-Шанского, 2023. 86 c.Filippov V.V., Luzyanin S.E., Mitsuk S.V. Methods for solving the Laplace and Poisson equations as applied to the electrodynamics of semiconductors. Lipetsk: Lipeczk. gos. ped. un-t imeni P. P. Semyonova-Tyan-Shanskogo; 2023. 86 p. (In Russ.)Filippov V.V., Mitsuk S.V. Modelling magnetoresistance effect in limited anisotropic semiconductors // Chinese Physics Letters. 2017. Vol. 34, no. 7. P. 077201. doi: 10.1088/0256-307X/34/7/077201.Filippov V.V., Mitsuk S.V. Modelling magnetoresistance effect in limited anisotropic semiconductors. Chinese Physics Letters. 2017;34(7):077201. doi: 10.1088/0256-307X/34/7/077201.Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985. 264 c.Batavin V.V., Kontsevoy Yu.A., Fedorovich Yu.V. Measurement of parameters of semiconductor materials and structures. Moscow: Radio i svyaz; 1985. 264 p. (In Russ.)Шалимова К.В. Физика полупроводников. 4-е изд. СПб.: Лань, 2010. 384 с.Shalimova K.V. Physics of semiconductors. 4<sup>th</sup> ed. St Petersburg: Lan; 2010. 384 p. (In Russ.)Божков В.Г. Контакты металл – полупроводник: физика и модели. Томск: Изд. дом Том. гос. ун-та, 2016. 528 с.Bozhkov V.G. Metal–semiconductor contacts: physics and models. Tomsk: Izd. dom Tomsk. gos. un-ta; 2016. 528 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.