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基于AlGaN/GaN异质结的FESBD器件特性

  基于GaN外延材料的肖特基势垒二极管(SBD)可以耐受很高的反向击穿电压,阳极和阴极间距为8µm的管子击穿电压可以达到400V以上。然而,正向导通电压则通常要达到1V左右。在一些特殊的电路用途中,需要反向击穿电压高而且正向导通电压很低(接近0V)的高压二极管,正是这种需求催生了场效应肖特基势垒二极管(FESBD)器件。续流二极管就是一个典型的例子。
 
  1. 续流二极管的工作原理和特性要求
  续流二极管(flyback diode),有时也称为飞轮二极管(free wheeling diode),是一种配合电感性负载使用的二极管。当电感性负载的电流由于供给电压突然减小或移去而变化时,电感中蕴藏的磁能会产生一个大的电压(突波电压)以抵抗电路中电流的变化,使得空气开关发生电弧放电或可能会破坏电路中的其他元件。若在电感两端并联续流二极管,则电感在正常工作时二极管处于反向阻断状态,可视为不存在;若电感出现反向大电压时,则二极管立刻导通(flyback,续流),与电感形成回路,抽取其电流,令电路其他元件上的电流可以较平缓的变化,避免突波电压的发生。在发生续流现象时,电感上的电压是续流二极管正向压降的函数。
 
  因此,续流二极管要求具有高的反向击穿电压(阻断能力强)和低的正向导通电压(续流能力强)。
一个有电感负载及续流二极管的电路 
图1 一个有电感负载及续流二极管的电路
 
  2. 基于AlGaN/GaN异质结的FESBD
  在FESBD中,使用新的电极结构取代普通的肖特基二极管上的肖特基电极,从而实现低通态电压。肖特基金属结构为低的肖特基势垒镶嵌在一个高的肖特基势垒中。利用氮化物材料制备的FESBD是在AlGaN/GaNHFET结构上形成的,其结构如图2所示。目前已报道了阳极和阴极间距为8µm的FESBD管反向击穿电压可以达到400V以上,同时正向导通电压则低于0.1V。
AlGaN/GaNFESBD剖面结构图 
图2 AlGaN/GaNFESBD剖面结构图
AlGaN/GaNFESBD和采用肖特基金属铂的GaN肖特基二极管的特性差异 
图3 AlGaN/GaNFESBD和采用肖特基金属铂的GaN肖特基二极管的特性差异
 
  图3 AlGaN/GaN FESBD和采用肖特基金属铂的GaN肖特基二极管的特性差异。Pt-GaN肖特基二极管的开启电压大于0.8V,但FESBD的开启电压非常低,低于0.1V当正向偏压施加给FESBD,二极管的正向电流通过AlGaN/GaN异质结界面的二维电子气(2DEG)从低的肖特基势垒电极流向欧姆电极。因此,正向导通电流可以类似于欧姆特性。并且由于二维电子气会使载流子具有高迁移率,从而使得器件的导电速度变快,开关速度提高。相反,提供反向偏置时,从低肖特基势垒电极流向欧姆电极的反向漏电流被抑制,而且AlGaN/GaN异质结沟道中的二维电子气被较高的肖特基势垒场效应夹断,因此可实现较高的反向击穿电压。

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