图1 AlGaN/GaN SBD结构示意图
如图1(a)所示，最基本的AlGaN/GaN SBD器件的外延材料结构与器件结构。外延结构包括：衬底（目前常用的有蓝宝石或碳化硅）、GaN缓冲层、GaN沟道层、20~30nm AlxGa1-xN势垒层，一般x取0.20~0.30。电极采用如图1(b)的圆对称双电极结构，中心电极为肖特基接触，外侧圆环电极为欧姆接触。
2. 金属半导体接触
对于金属和半导体，在绝对零度时，费米能级EF以下所有能级都被电子填充，而高于EF的能级是空的。要使电子从材料中逸出，必须给以足够能量。一个初始能量EF的电子，从金属内部逸出到真空能级W0所需的能量，称作金属功函数Wm，表示为：
Wm=qΦm=E0-(EF)m （1）
同样，半导体功函数可以表示为：
Ws=qΦs=E0-(EF)s （2）
因为，在半导体中EF的位置随掺杂浓度而改变，因此Ws是关于掺杂浓度的函数。为此，引入一个只与半导体材料种类相关的参数，电子亲合能χ，
χ=E0-Ec （3）
其中Ec是导带底能级。图2(a)所示为金属与一n型半导体接触前的能带示意图，并且假定Wm>Ws。
图2 金属-半导体接触能带示意图
金属与半导体紧密接触时的能带图见图2(b)。由于接触前二者费米能级不相等，接触后半导体内的电子向金属一侧流动，直至平衡状态，二者费米能级达到统一。这个过程降低了金属一侧的电势，提高了半导体一侧的电势，在半导体表面形成由金属指向半导体的电场，使能带向上弯曲，形成阻挡电子运动的势垒，这就是金属-半导体肖特基接触。金属一侧的势垒高度为
qΦb=qΦm−χ （4）
半导体一侧的势垒高度为
qVbi=q(Φm−Φs) （5）
其中Vbi为接触电势差。当金属接电源正极，半导体接负极，即正向偏压V时，半导体的费米能级上升qV，半导体一侧的势垒高度降低了qV，如图3(a)。由于半导体一侧的势垒高度降低，从半导体流向金属的电子数目增加，而从金属流向半导体的电子数目不变，因此产生从金属到半导体的电流，此为正向导通状态。外加电压增大，则势垒继续下降，正向电流也就越大。当金属加负向偏压V时，半导体费米能级下降qV，半导体一侧的势垒高度降低了qV，如图3(b)。由于半导体一侧的势垒高度增加，从半导体流向金属的电子数目减少，从金属向半导体流入的电子数目仍然保持不变，由此形成从半导体到金属的反向电流。由于金属中的电子要越过的势垒qΦb很高，因此能够翻越势垒到达半导体的电子数目非常少，即流向金属的反向电流很小，这是反向截止状态。以上所讨论的就是肖特基接触的整流特性。
图3 外加电压对肖特基接触的影响
如果忽略表面态的影响，当金属与n型半导体接触时，且Wm<Ws，电子由金属流向半导体，半导体表面有一从半导体指向金属的电场，使半导体表面能带向下弯曲，形成反阻挡层。反阻挡层电阻非常小，当外加电压时，电子可以几乎无障碍的在金属和半导体之间流动，这就是欧姆接触。但是，由于GaN基材料禁带宽度大，且表面存在大量的表面态，无法形成理想的金属-半导体欧姆接触。所以一般采用隧穿机制形成欧姆接触。
3. 半导体表面性质对金属半导体接触的影响
由于材料的非理想型、材料结构的中断、器件表面氧化及其它原因，在实际制成的器件中会存在一些电荷和陷阱而恶化器件性能，其中影响比较大的是表面态和表面氧化层。
表面态的产生是由于晶格的周期性被破坏，因此产生悬挂的原子共价键，以及材料缺陷等，其对应的能级称为表面能级。一般表面态在半导体禁带中有一定的分布，存在一个距离价带顶为qΦ0的表面能级，如图4。
图4 表面态存在时的金属-半导体接触能带图
当半导体表面不存在或者存在较低浓度的表面态时，金属和半导体两侧的势垒都与金属功函数有关，见图4(a)。但当表面态密度很高时，只要费米能级高出qΦ0，在表面态上就会积累很多电荷。为保证系统的平衡，表面处能带弯曲使EF与qΦ0相等，金属和半导体两侧的势垒高度分别为
qΦb=Eg−qΦ0
qVbi=Eg−qΦ0−qΦn （6）
由上式可知，势垒高度与金属功函数无关，而由半导体的表面性质所决定。这就是高密度表面态所致的半导体表面费米能级钉扎作用。半导体暴露在空气中会迅速与空气中的氧反应，在表面生成氧化层。此氧化层不是足够薄时，就会对金属半导体接触产生影响。首先，由于界面氧化层的存在，半导体表面电场强度下降，半导体能带的弯曲程度小于理论值，即肖特基势垒高度要小于理想情况下的肖特基接触。此外，氧化层的存在提高了半导体一侧电子所要翻越的势垒高度，如图5所示，使正向电流小于理论值，同时有一部分电压落在氧化层上，损失了这部分电压对电流的控制作用。
图5 表面氧化层存在时金属半导体接触能带示意图
4. AlGaN/GaN SBD工作原理
AlGaN/GaN SBD最基本的工作原理是利用金属-半导体肖特基接触的单向导电性，金属与AlGaN/GaN接触时，在金属一侧形成势垒qΦb，在半导体一侧的势垒高度为qVbi，AlGaN/GaN SBD的能带结构图6所示。与普通体材料不同的是，在AlGaN/GaN异质结界面处，由于AlGaN与GaN禁带宽度的不同，能带发生突变，由此产生的极化效应使界面处形成准三角势阱，大量电子被限制在该三角阱内，见图6(b)。这些电子在垂至于异质结界面的方向上是量子化的，而在平行于异质结界面的方向上是自由运动的，这就是二维电子气（2DEG）。2DEG具有极高的浓度和电子迁移率，使AlGaN/GaN异质结结构成为制作横向GaN基SBD器件的最佳选择。
图6 AlGaN/GaN SBD能带示意图
肖特基势垒中电流的输运主要包括热电子发射和隧穿效应两种机理。热电子发射机制的原理是，当提供足够的热运动能量，半导体一侧的电子越过势垒进入金属内。但是AlGaN势垒层厚度很小，通常只有20~30nm，即使电子不能获得足够的能量翻越势垒，也可以通过隧穿的方式穿越势垒到达金属，这就是隧穿机制。同时，因为GaN基材料属于异质外延，材料中存在大量的缺陷，这些缺陷也提供了电子的隧穿通道。
肖特基势垒的电流-电压（Intensity-Voltage，I-V）关系可以表示为：
n是理想因子，当n=1时，表示是理想的肖特基接触，电流输运完全是热电子发射，但由于隧穿电流和其他原因产生的漏电的存在，实测的n会偏离1。实际中，我们希望n能够尽量接近1。