氮化镓因为其较大的禁带宽度而区别于一、二代半导体。而较大的禁带宽度势必将带来较大的击穿场强,进而其工作电压也会有所提升。加上AlGaN/GaN异质结形成的高浓度二维电子气所带来的大电流,这些优良的材料特性最终表现在AlGaN/GaN HEMTs器件优异的功率特性上。器件长时间在高功率条件下工作所产生的自热效应将导致结温升高。本文针对这一现象,对AlGaN/GaN HEMTs器件热调控技术进行研究,主要采用在常规器件中加入顶层金刚石结构的途径进行散热。本文的主要研究内容和成果如下:1、基于Silvaco TCAD仿真模型对具有非掺杂顶层金刚石的AlGaN/GaN HEMTs进行系统研究。模拟了非掺杂的顶层金刚石的厚度、长度、位置以及金刚石/氮化镓边界热阻和金刚石热导率对AlGaN/GaN HEMTs器件温度的影响。研究结果显示,器件结温随着金刚石厚度增加而降低,但是降温幅度随着厚度增加而减小,当厚度为1μm时,降温效果最佳。金刚石长度对温度影响和厚度对温度影响类似,当金刚石放置在沟道上方长度为5μm时降温效果最显著,当功率密度为15W/mm时降温幅度将近30K。最后研究了边界热阻与金刚石热导率对AlGaN/GaN HEMTs器件温度的耦合影响,发现边界热阻的改善比设计金刚石结构增加其热导率对器件散热更加有效。2、在研究了具有非掺杂金刚石结构对器件散热的影响的基础上,我们还模拟了顶层P型掺杂金刚石的掺杂浓度对器件电热性能的影响。结果显示,当掺杂浓度大于1×1017cm-3时沟道电场尖峰会随掺杂浓度增大显著下降并分解为两个电场尖峰,适当掺杂后栅极电场峰值最多可减小25%。当掺杂浓度为1×1018cm-3时栅极电场尖峰与漏极电场相当且调制效果最好。在直流功耗13W/mm下,具有P型掺杂金刚石结构的AlGaN/GaN HEMTs器件较具有非掺杂金刚石结构的AlGaN/GaN HEMTs器件结温降低了25K。3、最后实现了基于AlGaN/GaN HEMTs顶层20nm Si N上生长1μm金刚石层器件的制备。器件制备过程中开发了湿法结合干法的金刚石刻蚀关键工艺,解决了干法刻蚀金刚石过程中引入的微掩膜问题和对AlGaN缓冲层的刻蚀损伤问题。随后对材料结构分析表明,金刚石层生长质量很好,晶粒尺寸约600nm,各材料层之间分界清晰。还发现生长金刚石前后由于材料层之间应力作用2DEG密度增加了4.9%。金刚石层热导率为313.68W/m·K,金刚石/氮化镓边界热阻为39.35m~2K/GW,其结果与类似结构的文献结果相比具有一定优势。对器件特性分析表明,器件的欧姆接触特性与常规器件相比基本不变。转移曲线中阈值电压略微负漂,这与大部分文献报道结果一致。对比不同状态下的输出曲线发现金刚石器件和常规器件相比崩塌量减小了76%,自热改善量为43%,峰值温度降低了10.4 K。成功实现了顶层金刚石与AlGaN/GaN HEMTs器件的集成,降低了器件的自热效应。