Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 3


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

PECULIARITIES OF HOT CARRIER TRANSPORT ACROSS GaAs p-n JUNCTIONS UNDER INTERBAND AND INTRABAND EXCITATION

O. Masalskyi, I. Zharchenko and J. Gradauskas,

Author Information
1,2Masalskyi, O. ORCID logo SCOPUS logo, 1,2Zharchenko, I. SCOPUS logo, 2Gradauskas, J. ORCID logo SCOPUS logo
1State Research Institute Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio Avenue 3, 10257, Vilnius, Lithuania
2Vilnius Gediminas Technical University, Saulėtekio Avenue 11, 10223 Vilnius, Lithuania
*Corresponding author: oleksandr.masalskyi@ftmc.lt

ABSTRACT

In photovoltaics, the role of hot carriers is still ambiguous. Their positive role is foreseen in the potential for efficient hot carrier solar cells, while the negative one is considered only as the source of fundamental thermalization losses. In this study, hot carrier photocurrent formation was investigated in a crystalline GaAs p-n junction, which is a promising candidate for high-efficiency solar cells, under pulsed laser excitation at 0.532 µm and 1.064 µm. Time-resolved photocurrent measurements were performed at 300 K and 80 K temperatures. Hot carrier photocurrent, with polarity opposite to the electron-hole pair generation-induced current, arises in both cases, i.e., independently of photon energy, but is more pronounced under above-bandgap excitation due to much stronger interband absorption. It is shown that the effective hot carrier temperature, estimated using the temperature-coefficient model, is more effectively raised by above-bandgap radiation at lower sample temperatures.

Keywords: GaAs, hot carriers, temperature coefficient, effective carrier temperature, p-n junction, lasers

UDC: 535.215, 621.383.5

    1. Shockley, W., & Queisser, H. J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. J. Appl. Phys., 32(3), 510-519.
      doi:10.1063/1.1736034
    2. Hirst, L. C., & Ekins-Daukes, N. J. (2011). Fundamental losses in solar cells. Prog. Photovolt.: Res. Appl., 19(3), 286-293.
      doi:10.1002/pip.1024
    3. Umeno, M., Sugito, Y., Jimbo, T., Hattori, H., & Amemiya, Y. (1977). Hot carrier-voltaic effect in p-n junction and its application to electron emitters and light detectors. Jpn. J. Appl. Phys., 16, 283-286.
      doi:10.7567/JJAPS.16S1.283
    4. Conwell, E. M. (1967). High field transport in semiconductors (Solid State Physics, Suppl. 9). Academic Press.
    5. Ross, R. T., & Nozik, A. J. (1982). Efficiency of hot-carrier solar energy converters. J. Appl. Phys., 53(5), 3813-3818.
      doi:10.1063/1.331124
    6. Gradauskas, J., Masalskyi, O., Ašmontas, S., Sužiedėlis, A., Rodin, A., & Zharchenko, I. (2024). Hot carrier photocurrent as an intrinsic loss in a single junction solar cell. Ukr. J. Phys. Opt., 25(1), 01106-01112.
      doi:10.3116/16091833/Ukr.J.Phys.Opt.2024.01106
    7. Zhang, Y., Jia, X., Liu, S., Zhang, B., Lin, K., Zhang, J., & Conibeer, G. (2021). A review on thermalization mechanisms and prospect absorber materials for the hot carrier solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 225, 111073.
      doi:10.1016/j.solmat.2021.111073
    8. Dargys, A., & Kundrotas, J. (1994). Physical data for gallium arsenide. In Handbook on the physical properties of Ge, Si, GaAs and InP (pp. 143-188). Science and Encyclopedia.
    9. Masalskyi, O., & Gradauskas, J. (2022). Pre-thermalizational effect of hot carriers on photovoltage formation in a solar cell. Ukr. J. Phys. Opt., 23(3), 117-125.
      doi:10.3116/16091833/23/3/117/2022
    10. Beard, M. C., & Ellingson, R. J. (2008). Multiple exciton generation in semiconductor nanocrystals: Toward efficient solar energy conversion. Laser Photonics Rev., 2(5), 377-399.
      doi:10.1002/lpor.200810013
    11. Ikeri, H. I., Onyia, A. I., & Kalu, F. N. (2021). Hot carrier exploitation strategies and model for efficient solar cell applications. Chalcogenide Let., 18(11), 745-757.
      doi:10.15251/CL.2021.1811.745
    12. Conibeer, G., Jiang, C.-W., Green, M., Harder, N., & Straub, A. (2003). Selective energy contacts for potential application to hot carrier PV cells. In Proceedings of the WCPEC-3 (Vol. 3, pp. 2730-2733).
    13. Esgandari, M., Barzinjy, A. A., Rostami, A., Rostami, G., & Dolatyari, M. (2022). Solar cells efficiency enhancement using multilevel selective energy contacts (SECs). Opt. Quantum Electron., 54, 102.
      doi:10.1007/s11082-021-03493-8
    14. Ašmontas, S., Fedorenko, L., Vlasiuk, V., Gorbanyuk, T., Kostylyov, V., Lytovchenko, V., Gradauskas, J., Sužiedėlis, A., Širmulis, E., Žalys, O., & Masalskyi, O. (2020). Suppression of hot carriers by nanoporous silicon for improved operation of a solar cell. Ukr. J. Phys. Opt., 21(4), 207-214.
      doi:10.3116/16091833/21/4/207/2020
    15. Neupane, K., Kabel, J., Uddin, J., Dubey, R., Ojha, R., Zhang, D., & Yap, Y. K. (2026). Quantum dot solar cells: Background, progress, and perspective. Micromachines, 17(4), 474.
      doi:10.3390/mi17040474
    16. Raisa, A. T., Sakib, S. N., Hossain, M. J., Rocky, K. A., & Kowsar, A. (2025). Advances in multijunction solar cells: An overview. Sol. Energy Adv., 5, 100105.
      doi:10.1016/j.seja.2025.100105
    17. Yamaguchi, M., Dimroth, F., Geisz, J. F., & Ekins-Daukes, N. J. (2021). Multi-junction solar cells paving the way for super high-efficiency. J. Appl. Phys., 129(24), 240901.
      doi:10.1063/5.0048653
    18. Ašmontas, S., Širmulis, E., & Stonys, S. (1984). Investigation of the photovoltage across germanium p-n junction under pulsed CO2 laser irradiation. Lith. J. Phys., 24, 75-82.
    19. Zharchenko, I., Gradauskas, J., Masalskyi, O., & Rodin, A. (2024). Hot carrier photocurrent induced by 0.92 eV photon energy radiation in a Si solar cell. Opto-Electron. Rev., 32(2), e15181.
      doi:10.24425/opelre.2024.150181
    20. Gradauskas, J., Ašmontas, S., Sužiedėlis, A., Šilėnas, A., Vaičikauskas, V., Čerškus, A., Širmulis, E., Žalys, O., & Masalskyi, O. (2020). Influence of hot carrier and thermal components on photovoltage formation across the p-n junction. Appl. Sci., 10(21), 7483.
      doi:10.3390/app10217483
    21. Ašmontas, S., Gradauskas, J., Čerškus, A., Sužiedėlis, A., Širmulis, E., & Žalys, O. (2025). Hot carrier transport in solar cells. Lith. J. Phys., 65(4), 248-257.
      doi:10.3952/physics.2025.65.4.7
    22. Ašmontas, S., Masalskyi, O., Zharchenko, I., Sužiedėlis, A., & Gradauskas, J. (2024). Some aspects of hot carrier photocurrent across GaAs p-n junction. Inorganics, 12(6), 174.
      doi:10.3390/inorganics12060174
    23. Ašmontas, S., Gradauskas, J., Sužiedėlis, A., Šilėnas, A., Širmulis, E., Švedas, V., Vaičikauskas, V., & Žalys, O. (2018). Hot carrier impact on photovoltage formation in solar cells. Appl. Phys. Lett., 113(7), 071103.
      doi:10.1063/1.5043155
    24. Ašmontas, S., Gradauskas, J., Naudjyus, K., & Širmulis, E. (1994). Photoresponse of InSb-based p-n structures during illumination by a CO₂ laser. Semiconductors, 28(11), 1089-1091.
    25. Ašmontas, S., Gradauskas, J., Seliuta, D., Sužiedėlis, A., Širmulis, E., Valušis, G., & Tetyorkin, V. V. (2002). CO₂ laser induced hot carrier photoeffect in HgCdTe. Materials Science Forum, 384-385, 147-150.
      doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.384-385.147
    26. Ašmontas, S., Gradauskas, J., Sužiedėlis, A., Širmulis, E., & Urbelis, A. (2006). Hot carrier photocapacitive effect. In Optical materials and applications (Proceedings of SPIE, Vol. 5946, 594619).
      doi:10.1117/12.639324
    27. Levinshtein, M. E., & Rumyantsev, S. L. (1996). Gallium arsenide (GaAs). In M. Levinshtein, S. Rumyantsev, & M. Shur (Eds.), Handbook series on semiconductor parameters: Si, Ge, C (diamond), GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb (Vol. 1, pp. 77-103). World Scientific.
      doi:10.1142/9789812832078_0004
    28. Sze, S. M. (1969). Physics of semiconductor devices. Wiley.
    29. Adachi, S. (1989). Optical dispersion relations for GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, AlxGa1-xAs, and In1-xGaxAsyP1-y. J. Appl. Phys., 66(12), 6030-6040.
      doi:10.1063/1.343580
    30. Ašmontas, S., Gradauskas, J., Seliuta, D., Sužiedėlis, A., Šilėnas, A., & Valušis, G. (1997). GaAs/AlGaAs heterojunction: A promising detector for infrared radiation. In Proceedings of the 5th European Gallium Arsenide and Related III-V Compounds Applications Symposium (pp. 345-348).
    31. Gradauskas, J., & Ašmontas, S. (2021). Hot carrier photocurrent through MOS structure. Appl. Sci., 11(16), 7211.
      doi:10.3390/app11167211
    32. Schaffner, J. S., & Shea, R. F. (1955). The variation of the forward characteristics of junction diodes with temperature. Proceedings of the IRE, 43(1), 101-107.
    33. Shayan, S., Matloub, S., & Rostami, A. (2021). Efficiency enhancement in a single bandgap silicon solar cell considering hot-carrier extraction using selective energy contacts. Opt. Express, 29(4), 5068-5080.
      doi:10.1364/OE.416932
    34. Green, M. A., Emery, K., & Blakers, A. W. (1982). Silicon solar cells with reduced temperature sensitivity. Electron. Lett., 18(2), 97-98.
      doi:10.1049/el:19820066
    35. Singh, P., & Ravindra, N. M. (2012). Temperature dependence of solar cell performance - An analysis. Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 101, 36-45.
      doi:10.1016/j.solmat.2012.02.019
    36. Bernardi, M., Vigil-Fowler, D., Ong, C. S., Neaton, J. B., & Louie, S. G. (2015). Ab initio study of hot electrons in GaAs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(17), 5291-5296.
      doi:10.1073/pnas.1419446112

    У фотовольтаїці роль гарячих носіїв заряду досі неоднозначна. Позитивний вплив гарячих носіїв пов’язують із можливістю створення високоефективних сонячних елементів, тоді як їх негативний вплив розглядають як джерело втрат енергії через термалізацію. У цій роботі досліджено формування фотоструму гарячих носіїв у кристалічному p-n переході GaAs, перспективному для застосування у високоефективних сонячних елементах, за імпульсного лазерного збудження на довжинах хвиль 0,532 і 1,064 µм. Вимірювання часової залежності фотоструму проводилися при температурах 300 K та 80 K. Фотострум гарячих носіїв із полярністю, протилежною до струму генерації електронно-діркових пар, виникає як за надзонного, так і за підзонного збудження. Однак за надзонного збудження він є більш вираженим через значно сильніше міжзонне поглинання. Показано, що ефективна температура гарячих носіїв, оцінена за допомогою моделі температурного коефіцієнта, ефективніше підвищується при опроміненні фотонами з енергією вищою за ширину забороненої зони та при нижчій температурі зразка.

    Ключові слова: GaAs, гарячі носії, температурний коефіцієнт, ефективна температура носіїв, p-n перехід, лазери

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0