AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(HFET)是第三代半导体中非常具有代表性的电子器件。GaN材料宽的禁带宽度和稳定的化学性质,使得AlGaN/GaN电子器件的临界击穿电场很高、抗辐射和抗腐蚀能力很强；更为重要的是,由于GaN材料的自发极化与压电属性,在GaN上外延生长AlGaN势垒层制备的AlGaN/GaN异质结材料,无需任何掺杂便可在AlGaN/GaN异质结界面处产生量子限制作用极强的高浓度二维电子气,且载流子迁移率非常高。高的载流子浓度和迁移率以及高的击穿电场使得AlGaN/GaN电子器件在微波功率器件和电力电子器件领域有着极为广阔的发展潜力和应用前景。经过二十多年的发展,AlGaN/GaN电子器件已经取得了长足的进展,然而其依然面临诸多挑战。其中,器件高频和功率性能的进一步提升以及器件的可靠性都是目前面临的重要问题。极化是GaN基电子器件的重要特征,器件势垒层应变分布的不均匀会导致极化电荷分布的不均匀,进而引起极化库仑场散射,该散射是GaN基电子器件所特有的载流子散射机制,而且已有研究表明该散射机制对GaN基电子器件载流子低场迁移率和可靠性有着重要影响。但是由于势垒层厚度等原因,与该散射机制密切相关的势垒层极化和应变完整分布目前无法通过实验直接确定。此外,由于逆压电效应,不同的偏置状态会导致不同的应变和极化电荷分布,从而引起不同的极化库仑场散射势,形成对栅源接触区沟道载流子不同的散射作用,进而导致不同的栅源接触区电阻以及非本征跨导,但是目前极化库仑场散射对GaN基电子器件该方面电学性能参数影响的研究未有报道。另外,由于GaN缓冲层与衬底间存在晶格失配以及热失配,GaN缓冲层不可避免地存在应变,而这一应变的不确定性也使得器件可靠性受到影响；而且GaN缓冲层中存在的陷阱态,使得GaN器件在施加偏压工作时,存在流经GaN缓冲层的漏电流,这对器件开关特性非常不利。本论文以上述问题为切入点,力图通过相应的研究分析,为AlGaN/GaN电子器件的进一步发展带来推动与促进作用,具体包括以下内容：1.AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中异质结界面附加极化电荷分布确定及势垒层应变能分析制备了栅长为微米和亚微米级别的不同尺寸AlGaN/GaN HFET器件,根据测试得到的电容电压曲线以及电流电压曲线,分别计算得到了各个尺寸器件的载流子低场迁移率。与已有研究中更大尺寸器件的载流子低场迁移率对比发现,随着器件尺寸的等比例缩小,极化库仑场散射在载流子输运中起到的作用越来越大；对于具有相同漏源间距的AlGaN/GaN HFET器件,随着栅长的减小,迁移率表现出了随栅源偏压变化更大的斜率,表明极化库仑场散射更强。根据极化库仑场散射与AlGaN/GaN异质结界面极化电荷分布间的关联关系,利用得到的不同栅源偏压下低场迁移率数值以及极化库仑场散射理论模型,提出了一种自洽迭代过程求解整个漏源之间区域AlGaN/GaN异质结界面附加极化电荷分布的方法,并根据极化与应变之间的关系,得到了整个漏源之间区域AlGaN势垒层的应变分布。并给出了极化／应变、栅下势垒层上下表面电势差以及器件尺寸三者间的关系表达式,而且采用其它尺寸器件的低场迁移率数值,验证了这一关系表达式。根据得到的关系表达式,分析了AlGaN势垒层应变能的情况,发现在-2V到0V栅源偏压范围内,虽然栅源偏压使得栅下AlGaN势垒层张应变和应变能减小,但是栅下AlGaN势垒层晶格的收缩同时会拉动其相邻区域晶格的伸张,使得相邻区域势垒层的张应变增大,应变能增大。而对于整个AlGaN势垒层来说,总的应变能保持相对恒定。2.极化库仑场散射对AlGaN/GaN异质结场效应晶体管栅源接触区电阻和非本征跨导的影响制备了漏源间距20μm,栅长分别为12μm、4μm和4μm,栅源间距分别为4μm、4μm和8μm的三组AlGaN/GaN HFET器件,在不同的正向栅源电流IGS下,采用传统的栅探针测试方法对这三组器件的栅源接触区电阻Rs进行测试,发现三组器件的Rs值均随着IGS的增大而减小。分析表明,其原因在于,随着正向IGS的增大,栅下AlGaN/GaN异质结界面处正的附加极化电荷增大,更大程度地抵消漏源欧姆电极附近AlGaN/GaN异质结界面处负的附加极化电荷,导致极化库仑场散射强度降低,Rs减小。同时发现,更长的栅长和更短的栅源间距对应更显著的栅下AlGaN/GaN异质结界面附加极化电荷的影响,使得极化库仑场散射对Rs的影响程度更大。另外,不同尺寸器件所表现出来的非本征跨导gm曲线也从另一个角度证明了AlGaN/GaN电子器件中,极化库仑场散射对器件的Rs和跨导性能的影响。然后,选取热载流子和热声子效应更为显著的、具备主流微波功率器件尺寸(2μm漏源间距和100μm栅长)的AlGaN/GaN电子器件进行研究,基于传统的栅探针测试Rs的方法,提出了一种新型的测试计算方法来得到对应于器件电流电压输出特性曲线饱和区各个静态工作点的Rs值,采用此方法测试得到的Rs值能够与各个静态工作点下AlGaN/GaN异质结界面处附加极化电荷的分布相对应。测试得到的各静态工作点下的Rs值随漏源电流IDS的增大而非线性增加。根据测试得到的栅源接触区电阻Rs。值,得到了各静态工作点下AlGaN/GaN异质结界面处的附加极化电荷分布。AlGaN/GaN异质结界面处的附加极化电荷产生的附加散射势对栅源接触区沟道载流子的输运产生影响,从而影响Rss结合极化库仑场散射理论模型,具体给出了极化库仑场散射对Rs的作用机理表达式。利用极化库仑场散射对栅源接触区电阻Rs的作用机理表达式以及测试得到的各静态工作点下的Rs值,结合极性光学声子散射、压电散射和界面粗糙散射等其它几种主要的散射机制对Rs的作用,具体计算得到了各散射机制对Rs的贡献。结果表明,压电散射与界面粗糙散射对Rs的贡献不大,且基本不随漏源电流IDS的增大而变化,对Rs起主要影响作用的是极性光学声子散射和极化库仑场散射。极性光学声子散射对应的Rs组分随IDS的增大而急剧增大,这是因为随着IDS的升高,电子温度升高,电子与极性光学声子间强烈的相互作用使得极性光学声子温度随着电子温度同步升高,因而极性光学声子散射强度快速增大,对载流子在栅源接触区沟道的输运过程产生更强的散射作用。极化库仑场散射对应的Rs组分随着IDS的增大而减小,这是由于随着漏源电流的增大,栅下AlGaN/GaN异质结界面处附加极化电荷绝对值减小,导致极化库仑场散射势减小,极化库仑场散射对栅源接触区沟道载流子散射作用减弱。此外,相比于压电散射与界面粗糙散射,极化库仑场散射在整个Rs组成中占据的比重更大,最大占据比重超过了50%,说明极化库仑场散射对Rs的变化起到非常大的影响作用。相比较于变化其它器件尺寸参数(比如漏源间距或者栅源间距),变化栅宽可以有效地统一其它影响因素的作用,从而将极化库仑场散射的作用独立出来,提供一个更为明确的视角。为此制备了漏源间距为2μm、栅居中且栅长为100nm,栅宽分别为20μm、40μm和75μm的三组AlGaN/GaN HFET器件。测试结果表明,随着栅宽的增大,非本征跨导的峰值减小,其原因在于更宽的栅宽对应更大的AlGaN/GaN异质结界面处附加极化电荷作用强度,从而对应更强的极化库仑场散射势,因此栅源间沟道载流子受到的极化库仑场散射更强,Rs值更大,从而导致非本征跨导值更小。同时发现,随着栅宽的增大,非本征跨导随栅源偏压的下降斜率变得更缓,这是由于随着栅源偏压的增大,栅下AlGaN/GaN异质结界面处附加极化电荷绝对值减小,极化库仑场散射强度降低,导致极化库仑场散射对应的R。组分减小,从而抵消或部分抵消了极性光学声子散射对应的Rs组分的增大,使得总体Rs变化更为平缓,进而可以使得非本征跨导曲线变化更为平缓。更宽的栅宽对应更强的极化库仑场散射,对极性光学声子散射的抵消作用更为显著,因此更宽栅宽的AlGaN/GaN电子器件非本征跨导曲线下降斜率更缓。基于前面的分析,从极化库仑场散射的角度提出了优化AlGaN/GaN电子器件性能的途径：增强极化库仑场散射的影响,可以使得极化库仑场散射对应的Rs组分随漏源电流IDs的减小速度与极性光学声子散射对应的Rs组分的增大速度相当,从而使得整体的Rs和非本征跨导随IDs变化趋于平缓,由此提升器件的线性放大性能。具体来讲,从材料结构角度,减小AlGaN势垒层厚度可以使得在同样的栅源偏压条件下,势垒层垂直方向具有更强的电场,增大A1组分同样可以使得相关弹性系数和压电系数改变,从而使得栅下AlGaN/GaN异质结界面处附加极化电荷增多,极化库仑场散射增强：器件结构角度,更长的栅长和更宽的栅宽对应更大的AlGaN/GaN异质结界面处附加极化电荷的作用,更短的栅源间距对应更短的栅下AlGaN/GaN异质结界面处附加极化电荷与栅源接触区沟道载流子之间的距离,因此可以增强极化库仑场散射强度。但同时也需要注意到,增强极化库仑场散射会使得总的散射强度增大,导致整体的Rs值增大,从而使得非本征跨导的峰值降低。因此,在更平缓的非本征跨导曲线与更大的非本征跨导峰值之间存在权衡,可以根据不同的器件应用需要,进行相应的器件设计。3.衬底厚度及衬底偏压对AlGaN/GaN异质结场效应晶体管性能的影响对于在原始厚度为420μm的蓝宝石衬底上制备的漏源间距5μm、栅长1gm、栅源间距1μm的AlGaN/GaN HFET器件,采用衬底减薄的方式,在不同的衬底厚度下测试器件的相关特性并进行分析,从而探究蓝宝石衬底厚度对AlGaN/GaN电子器件性能的影响。研究发现,当衬底厚度大于170μm时,器件电学特性基本不发生变化,而当衬底厚度小于170 μm时,器件电学特性发生较为明显的变化：器件漏源电流减小、二维电子气面密度降低以及阈值电压升高。拉曼光谱与光致发光谱反映了GaN缓冲层的应变信息：衬底减薄后,GaN缓冲层的压应变增强。采用自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法计算了AlGaN/GaN异质结界面处的极化电荷面密度,结果同样表明,当衬底厚度大于170μm时,AlGaN/GaN异质结界面处极化电荷面密度基本保持恒定,而当衬底厚度低于170μm时,极化电荷面密度降低。采用原子力显微镜测试了衬底减薄前后,栅漏电极之间区域2x2 μm2区域范围的AlGaN势垒层的表面形貌,发现衬底减薄后,AlGaN势垒层的表面粗糙度增大,间接地反映了AlGaN/GaN异质结界面处位错密度的增大以及位错散射的增强和相应载流子迁移率的降低。而70μm衬底厚度下的载流子迁移率比120μm衬底厚度下的载流子迁移率高,表明极化库仑场散射的减弱,这与极化电荷面密度的变化相一致。除了GaN缓冲层的应变,GaN缓冲层的陷阱态同样会对器件的性能产生影响,基于此,提出了一种采用施加衬底偏压提高器件开关特性的方法。实验发现,正向衬底偏压可以有效地降低器件关态漏电流,同时保持开态漏源电流恒定,从而提高AlGaN/GaN电子器件的开关比和亚阈值特性。分析表明,正向衬底偏压下,器件开关特性得以提高的原因在于,正向衬底偏压产生的垂直方向的电场倾向于使GaN缓冲层受主型陷阱态电离和(或)施主型陷阱态去电离,从而耗尽GaN缓冲层的电子,使得GaN缓冲层电导率降低,漏电流减小。此外正向衬底偏压会驱动GaN缓冲层的电子漂移到GaN缓冲层的底部甚至A1N成核层,而空穴到顶部,使得GaN缓冲层电导率进一步降低。衬底减薄后,同样大小的正向衬底偏压使得器件的开关特性有更大幅度的提高。这是由于衬底减薄后,同样大小的衬底偏压产生的垂直方向的电场更强,与GaN缓冲层陷阱态的相互作用更强,因此对器件开关特性的提高更为显著。