关键词：TCAD 仿真、Sentaurus、MQW 太阳电池、暗电流、隧穿机制
文章简要介绍
本文成功复现了 2024 年发表于IEEE Journal of Photovoltaics的论文《TCAD Modeling and Simulation of Dark Current-Voltage Characteristics in High-Periodicity InGaN/GaN Multiple-Quantum-Wells (MQWs) Solar Cells》。该论文针对高周期 InGaN/GaN 多量子阱太阳电池的暗电流特性进行了深入研究，通过 Sentaurus TCAD 仿真工具，首次在超过 10 个数量级的电流范围内精确匹配了实验数据，揭示了不同偏压下主导的载流子输运机制。
我们完整复现了论文中的器件结构建模、物理模型选择、参数校准以及结果分析全过程，所有仿真结果与原文高度一致。本文将详细分享我们的仿真步骤和关键发现，为从事 GaN 基光电器件研究的同行提供可直接参考的 TCAD 建模方案。
仿真步骤
1. 器件结构建模
我们严格按照论文描述，在 Sentaurus Structure Editor 中构建了完整的 InGaN/GaN MQW 太阳电池结构（原文图 1(a)）：
衬底：c-plane 蓝宝石
n 型层：2 μm n-GaN（Si 掺杂，3×10¹⁸ cm⁻³）+ 125 nm n⁺-GaN（Si 掺杂，2×10¹⁹ cm⁻³）
有源区：30 对周期性结构，每对包含 3 nm In₀.₁₅Ga₀.₈₅N 量子阱和 7 nm GaN 势垒（非故意掺杂）
p 型层：5 nm p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N 电子阻挡层（Mg 掺杂，2×10¹⁹ cm⁻³）+ 100 nm p-GaN（Mg 掺杂，2×10¹⁹ cm⁻³）+ 10 nm p⁺-GaN 接触层（Mg 掺杂，>2×10¹⁹ cm⁻³）
建模过程中特别注意了 Mg 掺杂的激活率，我们设置为 1%，与实验结果一致。同时，我们在量子阱和势垒区域进行了网格加密，确保能带计算的精度。
2. 基础物理模型设置
在 Sentaurus Device 中，我们首先启用了基础的物理模型：
漂移-扩散输运模型
Shockley-Read-Hall（SRH）复合模型
辐射复合模型
Auger 复合模型
热电子发射模型
压电极化模型（极化电荷缩放因子为 0.35）
材料参数采用了论文表 I 中给出的数值，包括 SRH 寿命、复合系数、掺杂激活能等。
3. 寄生电阻建模
根据实验测量结果，我们在仿真中加入了：
串联电阻Rₛ = 36 Ω
并联电阻Rₚ = 1×10¹¹ Ω
接触设置为理想欧姆接触，p 侧和 n 侧均采用高掺杂浓度以实现低电阻率接触。
4. 势垒内隧穿模型实现
这是论文的核心创新点之一。我们发现仅考虑热电子发射时，模拟电流比实验值低约 2 个数量级（原文图 2 黑色曲线）。因此，我们在 Sentaurus 中实现了非局域势垒内隧穿模型：
对有源区 GaN 势垒分别计算隧穿速率，并扩展至多势垒情况
电子隧穿有效质量mₜ,ₑ = 0.08*m*₀
空穴隧穿有效质量mₜ,ₕ = 0.3*m*₀
通过调整这两个有效质量参数，我们成功匹配了二极管开启电压以上的电流特性（原文图 2 红色曲线）。
5. 陷阱辅助隧穿（TAT）模型实现
为了匹配二极管开启电压以下的亚阈值区电流，我们实现了论文提出的 TAT 模型：
在整个有源区均匀分布陷阱（空间和能量上均匀分布）
陷阱能量分布范围：以本征费米能级为中心，总能量窗口 1 eV
陷阱浓度NT = 5×10¹⁵ cm⁻³
俘获截面σ= 5×10⁻¹⁵ cm²
TAT 隧穿有效质量mₜ,ₑ,TAT =mₜ,ₕ,TAT = 0.01*m*₀
Huang-Rhys 因子S= 10，声子能量Ephon = 91.2 meV
该模型成功模拟了由位错等扩展缺陷引起的漏电流机制。
结果解读
1. 能带结构分析
原文图 1(b) 展示了器件在 0 V 偏压下的能带图。我们的复现结果显示：
p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N 电子阻挡层在导带引入了约 0.32 eV 的势垒，有效阻止了电子向 p 区的溢出
量子阱区域形成了明显的量子限制效应
极化效应导致量子阱内存在较强的内建电场
2. 暗电流特性整体匹配
原文图 2 和图 6(a) 展示了不同模型组合下的暗电流特性。我们的复现结果与原文完全一致：
仅考虑基础模型时，电流严重偏低
加入势垒内隧穿模型后，成功匹配了 R.3（2–2.5 V）和 R.4（>2.5 V）区域
再加入 TAT 模型后，成功匹配了 R.2（0.5–2 V）区域
最终在约 10⁻¹¹ A/cm² 到约 10⁻¹ A/cm² 的 10 个数量级范围内实现了完美匹配
3. 隧穿有效质量的影响
原文图 3 展示了隧穿有效质量对电流特性的影响。我们的分析表明：
电子隧穿有效质量对电流的影响远大于空穴
这是因为电子的注入效率远高于空穴，是正向电流的主要载流子
空穴注入效率低主要是由于极化效应引起的内建电场阻碍了空穴的输运
4. 载流子注入效率分析
原文图 4 展示了不同偏压下的电子和空穴浓度分布。我们的复现结果清晰地显示：
在 0.5 V 偏压下，电子和空穴都只能注入到有源区的边缘
在 2.0 V 偏压下，电子已穿过大部分有源区，而空穴仅注入约 1/3
在 2.5 V 偏压下，电子已到达 p 区，而空穴仅到达有源区的中间位置
降低极化电场可以显著提高空穴的注入效率
5. TAT 模型参数敏感性分析
原文图 6(b) 展示了陷阱能量窗口对 TAT 电流的影响。我们的分析表明：
能量窗口越大，TAT 电流越大
这是因为更大的能量窗口提供了更多的隧穿路径
1 eV 的能量窗口能够最好地匹配实验数据，这与位错相关的深能级分布特性一致
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