图1 肖特基金属接触面积HEMT结构二极管反向I-V曲线和1um栅长HEMT结构肖特基二极管反向I-V曲线对比
在分析HEMT结构肖特基二极管的特性时，经常会碰到两种截然不同的I-V特性。如图1所示的是大肖特基金属接触的HEMT结构二极管的I-V特性和HEMT器件中的肖特基二极管的I-V特性对比，HEMT器件的栅长是1um。从图中可以看到两种截然不同的I-V特性。大接触面积的HEMT结构肖特基二极管的反向电流在经历了一个快速的增加的过程之后，出现了很长一段的电压范围之内的反向电流饱和的现象。而1um栅长的HEMT结构肖特基二极管则没有电流饱和现象，电流明显的分为两段不同的增加率的部分：从栅极电压0V到HEMT器件阈值电压，电流快速上升；而栅极电压小于HEMT的阈值电压后，电流上升的速率比之前区域的速度减小。这两种HEMT结构二极管的差别最大之处就在于肖特基金属与AlGaN表面接触面积的不同，边缘长度也不同。一个很直接的结论便是肖特基接触面积和边缘长度的不同导致了在高偏置栅源/栅漏电压下不同的导电机制。
为了确定HEMT结构肖特基二极管的反向导电机制，世界上各个科研组织已经进行了大量的实验和研究。但是这些漏电研究的对象却没有明确地指明，大多数的研究都假设栅电流是和面积成正比的，也就是面积相关的电流，肖特基金属接触的面积越大则栅极电流越大。从对图1的分析来看，这样的假设未必总是正确的。因此为了确定正确的导电机制，正确区分两种不同类型的电流是非常有必要的。
区分边缘漏电和面积漏电
首先我们设计了不同的尺寸的HEMT器件进行实验，以分析大肖特基接触面积HEMT结构二极管和HEMT结构肖特基二极管的区别。使用的晶片的衬底为2英寸蓝宝石，外延结构从下到上分别为AlN成核层，1.3um GaN缓冲层，1nm AlN插入层，20nm AlGaN势垒层，AlGaN的铝组分为0.3，和1.5nm的GaN帽层。在晶片上设计了圆形肖特基栅，和常规HEMT条形肖特基栅结构的两种HEMT结构肖特基二极管。常规HEMT结构肖特基二极管同HEMT结构一致，相当于将HEMT的栅极作为二极管阳极，源极和漏极作为二极管的阴极。栅源/栅漏的距离固定，栅的宽度也固定在100um，通过改变栅的长度以改变肖特基金属接触的面积。由于栅的宽度是固定的，因此这种类型的HEMT结构肖特基二极管阳极的边缘长度是固定的100um，不同的栅长的变化只是改变肖特基接触的面积。另外一种HEMT结构肖特基二极管则是圆形肖特基二极管，它们的栅金属的形状是圆形，而作为阴极的源/漏则以圆环的形式包围在栅金属的外层。改变此种形状的HEMT结构二极管的栅金属的半径，肖特基金属接触的面积和边缘长度都将改变。将第一种形状的二极管称为常规HEMT结构二极管，而第二种形状的二极管称为圆形HEMT结构二极管。设计常规HEMT结构二极管不同的栅长分别为1um,3um,5um,8um,13um,20um，50um，圆形HEMT结构二极管的半径分别为5um，10um，20um，30um，即可以得到一系列不同面积和边缘长度的肖特基二极管，以进行对比分析。表1列举总结了不同形状和尺寸的HEMT结构二极管的边缘长度和面积。
表1 常规HEMT结构二极管和圆形HEMT结构二极管尺寸对比
图2 不同面积和边缘长度的I-V特性曲线（a）常规HEMT结构二极管与（b）圆形HEMT结构二极管
不同类型的HEMT结构二极管的典型的电流-电压特性曲线如图2所示。所有的HEMT在栅极电压小于HEMT的阈值电压的时候都呈现出了不同程度的饱和趋势，但是并非所有栅压范围都有饱和的现象。在-5V到-10V的曲线内，饱和现象表现的比较明显。从图2（a）的常规HEMT结构二极管I-V曲线上可以看到，在0V到-10V的范围内，电流随着肖特基接触面积的增大而增大，但是这种增大的趋势随着栅压的降低而逐渐放缓。在栅压为-40V的时候，不同肖特基接触面积的常规HEMT结构二极管的电流差异已经远远小于小偏置下。圆形HEMT结构二极管的I-V特性同样展示了与常规HEMT结构二极管类似的趋势，但是在-40V的偏压下，电流差异相比常规HEMT结构二极管还是偏大。
图3 不同栅压下名义上的栅面电流密度（a）常规HEMT结构二极管（b）圆形HEMT结构二极管
首先假设所有的电流都是面积相关的，用实际测量的电流强度除以不同尺寸下的面积，得到名义上的电流密度。图3示出了不同栅压下名义的栅面电流密度。在栅偏置为从器件阈值电压（约为-2.70V）到0V时，常规HEMT结构二极管名义上的电流面密度为0.0019A/cm2，圆形HEMT结构二极管名义上的电流密度为0.0022A/cm2。但是在栅压为-20V和-40V的时候，计算得到的名义上的电流密度要远远偏离这个值。因此，可以假设当栅压大于阈值电压时，电流密度的计算是成立的。在0V到阈值电压范围内，计算出来的电流密度是一个常数，不因肖特基接触栅极栅长和半径的变化而变化。由此我们可以初步假设栅漏电是由两个不同部分组成的，一部分是面积相关的，而另一部分是边缘长度相关的。由于在大于阈值电压的电压范围内，名义上的电流密度是恒定的，所以可以认为在这个区域内，面积相关的电流远大于边缘长度相关的电流，总栅极电流全部由面积相关的电流组成。面积相关的电流与边缘长度相关的电流的比值决定了整个电压范围内的I-V特性曲线。若面积/边缘长度比大到一定数量，则整个区域内的电流都由面积相关的电流组成。这时的电流变化规律可以看成是面积相关的电流的变化规律。从图1可以看出，在面积相关的电流从0V开始快速增加，当栅压等于阈值电压时，面积相关的电流达到它的最大值且保持不变。
图4 实测总电流，面积相关的电流和边缘长度相关的电流的关系
因为面积相关的电流在栅压小于阈值电压后保持不变，且在阈值电压到0V的区间内计算的面电流密度是常数，所以我们可以认为，实验使用的器件在阈值电压到0V之间的范围内的总电流完全是面积相关的电流。在栅压小于阈值电压的范围内，可以通过总电流减去饱和的面积相关的电流，从而得到边缘长度相关的电流随电压的关系曲线。图4画出了实测电流，面积相关电流和边缘长度相关电流的关系。
图5 不同形状HEMT结构二极管在减去面积相关电流后的电流-电压曲线
图5所示的是不同形状的HEMT结构二极管在减去面积相关的电流后的I-V特性曲线。从图中可以清楚地看到，在减去面积相关电流后的常规HEMT结构二极管的I-V特性与栅长无关，栅长从1um到50uum，电流几乎没有变化，因为它们的边缘长度是恒定的。而圆形HEMT结构二极管则随着二极管半径的变化而变化。实验中使用的不同圆形HEMT的半径之比为1:2:4:6，而在偏置为-40V时减去面积相关电流后的电流比为1:2.16:4.13:6.47。非常相近比值充分证明了以上假设的正确性，在高偏置下的栅反向漏电的增加来自边缘长度相关电流。面积相关电流来自肖特基接触的绝大部分区域，而边缘长度相关的电流则跟肖特基接触的边缘长度相关，因此是栅边缘漏电。
这里应该提及到一点是，之前的一些研究小组也进行了相关的变化肖特基接触面积以考察栅极反向漏电是面积电流还是边缘电流的实验[58]，但是却没有发现本文所揭示的电流由面积相关和边缘边缘长度相关的结论。这是因为之前实验使用的肖特基接触面积过大，使用的肖特基接触为数百微米半径的圆环，从图2可以看到，当半径为30um的时候，饱和现象就已经很明显，数百微米的半径的大面积将屏蔽掉边缘长度相关电流的影响。同时，较低的电压偏置（-10V）也是之前实验未能得出结果的原因之一。