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不同温度下的HEMT结构二极管反向I-V特性曲线  
图1 不同温度下的HEMT结构二极管反向I-V特性曲线
 
  为了分析高场下栅边缘漏电的导电机制,对于器件进行温度相关的电流-电压(I-V-T)测试。如图1所示,常规HEMT结构二极管的I-V-T曲线与不同面积的圆形HEMT结构二极管的I-V特性曲线类似。这就意味着与面积相关的电流随着温度的增加而增加,而边缘长度相关的边缘电流则不随温度的变化而变化。为了更清楚的看到两者关系,我们使用前文描述的方法对总电流减去了面积相关的电流。从图上可以明显看到,边缘电流不随温度的变化而变化,这是隧穿电流的基本特征。面积相关的电流已经在很多文章中详细讨论过,我们只讨论在高场偏置下的边缘漏电导电机制。
 
  因为AlGaN/GaN异质结的三角形势垒形状特征,以及电流温度无关特点,Fowler-Nordheim(FN)隧穿便成为栅边缘高场漏电机制一个合理的猜测。FN隧穿的电流密度由下式给出
计算公式  
  以上m*n是AlGaN的有效电子质量,ℏ是普朗克常数,ቀB是肖特基势垒高度,有效质量m*n取0.2*m。如果FN隧穿是栅边沿高场漏电的主要机理,那么ln(Jedge/E 2 )与1/E的关系将会是线性关系,做出ln(Jedge/E 2 )与1/E的关系曲线将得到一根直线。同时非常重要的是,关系曲线上的斜率B和截距ln(A)也必须得到合理的值,从合理的A和B可以由(3-8)及(3-9)推出合理的器件参数值。我们将ΔL作为拟合因子对实验的不同温度下的I-V曲线进行拟合,如果拟合的A、B的值复合理论计算值,且能将ln(Jedge/E 2 )与1/E的关系曲线是一根直线,那么此时可以证明高场下栅边缘漏电的导电机制是FN隧穿,且此实验样品的栅边缘电场影响的范围是ΔL。
不同类型HEMT结构二极管在不同温度时的ln(Jedge/E2)与1/E关系曲线  
图2  -15V到-40V偏置下不同类型HEMT结构二极管在不同温度时的ln(Jedge/E 2 )与1/E关系曲线(a)常规HEMT结构二极管(b)圆形HEMT结构二极管,图2(a)的插入图为通过模型计算的平均电场和栅极偏压的关系
 
  图2分别画出了常规HEMT结构二极管和圆形HEMT结构二极管ln(Jedge/E 2 )与1/E在不同温度下的关系曲线,栅极偏置的范围为-15V到-40V。图2(a)的插入图显示了通过模型计算的平均电场和栅极偏压的关系。从296K到473K,无论是常规HEMT结构二极管还是圆形HEMT结构二极管都可以拟合得到ln(Jedge/E 2 )与1/E的直线关系。为了获得合理的直线斜率B和截距ln(A),不同类型的HEMT结构二极管需要不同拟合因子ΔL值。常规HEMT结构二极管的ΔL值为256nm,圆形HEMT结构二极管的ΔL值为218nm。表明在圆形HEMT结构二极管中,由横向延伸耗尽层感生的电场影响的范围要小于在常规HEMT结构二极管中的范围。不同类型的HEMT结构二极管的ΔL值的差别并不大,只有34nm。这些细微差异并影响总的栅边缘漏电总的趋势。通过拟合直线斜率ln(A)可以抽取的肖特基势垒高度,抽取得到的常规HEMT结构二极管肖特基势垒高度为1.21eV,而圆形HEMT结构二极管的肖特基高度为1.11eV,对比热电子发射(TE)模型抽取的肖特基势垒高度1.15eV。理想的拟合直线和合理的A和B值表明高栅极偏置下的栅边缘漏电流是由FN机制决定的,对应的电场强度为1.80MV/cm。
大偏置下栅极反向漏电电子输运机制示意能带图  
图3 大偏置下栅极反向漏电电子输运机制示意能带图,包括面积电流和栅极边缘漏电流
 
  图3所示的是大偏置栅极反向漏电电子输运机制能带图。在栅极漏端,电场由于横向扩展的耗尽层感生的净电荷的增加而增加。有效的电场增加范围为从栅极边缘往栅极内测的ΔL距离内。ΔL的长度根据拟合大概为一百至几百纳米之间。这些由于横向耗尽层感生的电场导致了栅极漏端的势垒变薄,因此,栅极边缘电流更容易以FN隧穿的方式从ΔL范围内穿过势垒。在栅极侧,远离极漏端边缘的大部分区域,栅电流可能输运机制是FP发射或TAT。尽管ΔL在我们实验的器件里要远小于栅极长度,但是在其他小栅长HEMT器件中,面积/边缘长度比值很小,在这种情况下栅极电流可能可以与面电流相比拟。在栅极电压小于阈值电压时,栅区域下的电场强度不会根据栅极偏压的变化而变化,但是栅极边缘的电场仍然在逐渐增大,因此一直增加栅极电压对栅边缘漏电变得更严重。正是由于HEMT结构的独特性,这种栅边缘漏电总是会在HEMT相关器件中存在。从上面对ΔL的讨论来看,为减小栅极边缘漏电,应该尽可能的增大ΔL,从而将横向延伸的耗尽层感生的电场散布到更大的范围内以减小ΔL区域内的电场。在实际的器件设计和工艺流程中,应该避免设计非直线栅结构,提高栅极金属的堆叠质量,使用更为平整的AlGaN势垒层表面等等。

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