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具有高温、高频和大输出功率能力的宽禁带AlGaN/GaN HEMT器件已成为国内外研究的热点课题。由于异质外延生长的AlGaN/GaN HEMT材料存在晶格和热失配问题，特别是GaN基异质结器件存在很强的自发极化和压电极化效应，从而导致器件中存在许多物理效应的作用机制仍不明确，而相关的实验如材料表征、应变分析、离子注入掺杂、欧姆接触和电流崩塌等仍然存在许多科学问题需要进一步深入研究。
本论文围绕X波段AlGaN/GaN HEMT所涉及的器件物理和相关实验等科学技术问题开展了基础研究，取得的主要研究结论如下。
1、基于对AlGaN/GaN HEMT自发极化和压电极化效应的研究，导出了异质结中的极化强度和晶格常数及弹性系数之间的关系；利用电中性平衡原理，建立了非故意掺杂AlGaN/GaN HEMT器件结构中极化面电荷密度和2DEG之间的物理模型。
2、应用高分辨X射线衍射技术(HRXRD)的GaN材料晶格参数精确测量方法，深入研究了GaN基异质结构材料水平和垂直方向的应变情况；同时利用Williamson-Hall方法测量了外延材料的镶嵌结构参数，明确了材料中存在的位错类型，对螺位错和刃位错的位错密度进行了精确计算，获得总的位错密度为109cm-2量级。
3、通过Si离子注入GaN材料的掺杂实验，在较低温度下(＜1100℃)利用快速热退火技术实现了GaN的重掺杂目的，为制作高质量欧姆接触提供了新的技术途径。研究表明，当注入能量1OOkeV和注入剂量1016cm-2的样品在11OO℃快速热退火处理后可实现重掺杂，其载流子面密度为2×1015cm-2、方块电阻100Ω/□，而穿透位错密度降低至1.55×109cm-2。同时，利用光致发光PL谱测试发现了能量分别为2.61eV与2.67eV蓝光发光(BL)谱线，这与前人研究的结果有所不同。进一步研究表明，2.61eV蓝光BL发光是由施主能级ON到深受主复合能级VGa-SiGa的跃迁发光产生的，而2.67eV BL带发光是由20meV左右的SiGa浅施主能级向VGa-ON复合深受主能级之间电子跃迁辐射发光所产生。
4、在非故意掺杂GaN上实现了低比接触电阻率的高质量多层金属欧姆接触。采用Ti(15nm)/A1(220nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)四层金属在非故意掺杂GaN上进行欧姆接触实验研究，在N2气氛中经温度900℃快速热退火1min后获得了最低的比接触电阻率为1.26×10-7Ω.cm2。经XRD和俄歇能谱剖面分析结果表明，Ti和Al之间反应形成低功函数A1Ti金属相可降低势垒高度，同时氮(N)的析出与Ti之间会形成低电阻低功函数的TiN金属相，导致在GaN导带边缘能级位置以n型施主态存在大量N空位，使金属与n-GaN界面处产生重掺杂效果，导致势垒宽度变薄有利于形成高质量的欧姆接触。
5、基于虚栅模型解释GaN HEMT电流崩塌效应的产生机理；为尽量降低自热效应特别设计制作了栅宽1Oμm的AlGaN/GaN HEMT器件进行电流崩塌实验，建立了脉冲条件下电流崩塌实验新方法。研究指出，脉冲频率和宽度变化均会导致器件呈现不同程度的电流崩塌效应，与器件表面态中电子的俘获和释放机制密切相关。并通过优化设计场板结构器件参数，从而降低了沟道电子峰值温度达到抑制电流崩塌目的。实验还发现，钝化后GaN HEMT电流崩塌量降低至仅4.7％。
6、优化设计影响频率和功率特性的器件结构和关键工艺参数，研发了有和无台面隔离的器件版图和工艺流程，制作了具有优良频率和功率性能的X波段AlGaN/GaN HEMT器件。
研究结果表明，半绝缘SiC衬底上0.25μm栅长、100μm栅宽的AlGaN/GaNHEMT器件，在零栅压下源漏饱和电流为1112mA/mm，跨导250mS/mm;截止频率fT和最大振荡频率fmax分别为41.5GH和108GHz;采用负载-牵引(Load Pull)方法在栅源电压-3.2V、源漏电压28V和8GHz连续波条件下测试，获得器件的输出功率密度是5.62W/mm、增益7.49dB、功率附加效率31％。同时，总栅宽3mm的AlGaN/GaN HEMT器件经管壳封装后测试，其源漏饱和电流为2.5A，跨导660mS;在频率8GHz、栅压-2.5V和源漏电压40V偏置条件下，器件最大输出功率达15.85W，增益6.95dB，功率附加效率36％。