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-GaNSi 掺杂3×10¹⁸ cm⁻³ 125 nm n⁺-GaNSi 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-GaNMg 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-HallSRH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 cm²TAT 隧穿有效质量mₜ,ₑ,TAT mₜ,ₕ,TAT 0.01*m*₀Huang-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.32–2.5 V和 R.42.5 V区域再加入 TAT 模型后成功匹配了 R.20.5–2 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我们可承接量子化学 | 第一性原理 | 有限元模拟 | 分子动力学 | 相场计算 | TCAD 器件仿真等各类科研模拟需求提供从模型构建、参数校准到结果分析的全流程服务助力您的科研工作高效推进。如需复现本文或其他 TCAD 仿真工作欢迎联系我们。
