近年来,AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(HFETs)由于其在高温高频大功率等方面的广泛应用前景而成为研究热点。AlGaN/GaN异质结构材料体系除具有GaN材料的宽带隙、高击穿场强、高电子饱和漂移速度、高热导率和稳定的化学性质等优越性能外,还具有很大的带阶差,很强的极化效应,即使不用任何掺杂,仅通过极化应力就可以在AlGaN/GaN异质界面的量子阱中产生高达-1013/cm2的二维电子气(2DEG)密度。以此为基础制备的AlGaN/GaN HFETs是GaN基电子器件最重要的代表,其具有高跨导、高饱和电流、高截止频率、高击穿电压等优良特性。尽管目前AlGaN/GaN HFETs器件已经发展到较高的性能水平,已经处于开始商用化的阶段,但仍然受到诸多问题的困扰,比如电流崩塌效应、高温下器件可靠性、小尺寸下AlGaN/GaN应变以及材料所预言的器件性能水平与目前实际制备的器件水平还存在一定的差距,这些问题大大制约了AlGaN/GaN HFETs器件的商业化进程。AlGaN/GaN异质结材料和器件的特征参数,比如2DEG迁移率、极化电荷密度、AlGaN/GaN应变、异质界面2DEG的分布和AlGaN/GaN异质结肖特基接触(AlGaN/GaN HFETs的栅金属电极与AlGaN/GaN异质结形成肖特基接触)势垒高度等直接影响着器件的频率和功率性能。因此,深入研究AlGaN/GaN异质结材料和器件的特征参数对AlGaN/GaN HFETs的发展具有非常重要的意义。本论文主要研究了AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率的散射机制、从电流电压(I-V)和电容电压(C-V)曲线有效提取AlGaN/GaN异质结肖特基接触势垒高度和AlGaN/GaN异质界面的极化电荷密度以及热退火对AlGaN/GaN异质结肖特基接触特征参数的影响。具体包括以下内容：1. AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率散射机制的研究。(a)栅金属面积对AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率的影响。利用欧姆定律,详细推导了圆形和方形AlGaN/AlN/GaN HFETs中线性工作区的电流-电压关系。结合实验测试得到的圆形和方形AlGaN/AlN/GaN HFETs的C-V特性和I-V输出特性曲线,利用推导出的电流-电压关系,计算了在源漏电压为100mV时,不同肖特基栅面积的圆形和方形AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率随外加栅偏压的变化情况。研究发现对于栅面积小(对应栅长小)的器件2DEG电子迁移率随栅偏压的增大而增大,但对于栅面积大的器件(对应栅长大)2DEG电子迁移率随栅偏压的增大而减小；同一栅偏压下,2DEG迁移率随栅面积的增大而增大。对此我们结合极化梯度库仑场散射、纵光学声子散射和界面粗糙散射给出了详细的解释。另外我们对比研究了同样器件尺寸的AlGaN/AlN/GaN HFETs和AlGaN/GaN HFETs中电子迁移率的变化规律,发现极化梯度库仑场散射在AlGaN/GaN HFETs器件中起到的作用要比在AlGaN/AlN/GaN HFETs器件中起到的作用强。这是由于AlGaN/AlN/GaN比AlGaN/GaN的有效带阶差大,使得2DEG远离异质界面处的极化电荷所致。(b)不同源漏间距对AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率的影响。结合实验测试得到的不同源漏间距的方形AlGaN/AlN/GaN HFETs的C-V特性和I-V输出特性曲线,利用推导出的电流-电压关系,计算了在源漏电压为100mV时,不同源漏间距、不同栅面积的方形AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率随外加栅偏压的变化情况。发现栅长与源漏间距的比值是决定器件中散射机制的主要原因,而非源漏间距。(c)不同栅金属面积、不同源漏间距对AlGaN/AlN/GaN HFETs线性工作区(较大漏源偏压下)2DEG电子迁移率的影响。结合实验测试得到的不同源漏间距的方形AlGaN/AlN/GaN HFETs的C-V特性和I-V输出特性曲线,利用推导出的电流-电压关系,计算了不同源漏间距、不同栅面积的方形AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG平均电子迁移率随外加漏源偏压和栅偏压的变化情况。发现之前所提出的AlGaN/AlN/GaN HFETs中的散射机制可以很好地解释源漏间距为100μm和60μm的器件中2DEG平均电子迁移率的变化规律,但却无法解释源漏间距小于20μm器件中的2DEG平均电子迁移率的变化规律,这种反常现象源于漏源电场对器件沟道极化电荷分布的影响。2.从正向I-V曲线获取AlGaN/GaN (AlGaN/AlN/GaN)异质结肖特基势垒高度。本论文分别讨论了两种从正向I-V曲线获取AlGaN/GaN(AlGaN/AlN/GaN)异质结肖特基势垒高度的方法。方法一是利用测试得到的I-V曲线和双二极管模型,基于热离子发射理论,通过薛定谔和泊松方程自洽求解迭代计算确定有效理查德常数并得到零偏压下势垒高度,又利用推导出的零偏压下和零电场下势垒高度之间的关系,最终得到AlGaN/GaN (AlGaN/AlN/GaN)异质结肖特基接触零电场势垒高度。方法二是通过公式推导和理论分析,从正向I-V曲线分析得到了AlGaN/GaN (AlGaN/AlN/GaN)异质结的平带电压,而后利用平带电压和零电场势垒高度的关系式,通过薛定谔和泊松方程自洽求解迭代计算得到肖特基接触势垒高度。3.从正向I-V曲线获取AlGaN/GaN异质结极化电荷密度。利用I-V曲线首先获取AlGaN/GaN异质结的平带电压,继而利用公式推导得到AlGaN/GaN异质结极化电荷密度和平带电压的简单关系式,从而得到了一种从正向I-V曲线获取AlGaN/GaN异质结极化电荷密度的简单方法。4.热退火对AlGaN/GaN异质结肖特基接触特征参数的影响。(a)热退火处理对AlGaN势垒层应变的影响。对AlGaN/GaN异质结构上的Ni肖特基接触进行不同温度和不同时间的热退火处理,利用测试得到的C-V和I-V曲线,通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程计算得到了各个样品的极化电荷密度,从而发现：600℃退火下,随着退火时间的增加样品的二维电子气密度和极化电荷密度的变化可分为两个阶段：第一个阶段,AlGaN中存在应变(即压电极化)且随着退火时间的增加应变逐渐减弱；第二个阶段,AlGaN势垒层已完全弛豫,仅存在自发极化且不随退火时间而发生变化。另外退火0.5小时下,当退火温度小于700℃时,随着退火温度的增高,2DEG密度和极化电荷密度逐渐减小,退火仅影响了AlGaN势垒层的应变；而800℃退火不仅影响了AlGaN势垒层的应变,由于肖特基金属原子的扩散也影响了AlGaN势垒层的自发极化。(b)热退火处理对AlGaN势垒层相对介电常数的影响。对AlGaN/GaN异质结构上的Ni肖特基接触进行不同温度和不同时间的热退火处理,利用测试得到的C-V曲线计算得到了各个样品中AlGaN势垒层的相对介电常数。研究发现：AlGaN势垒层的相对介电常数与AlGaN势垒层的压电极化和自发极化相关。AlGaN势垒层的相对介电常数正比于AlGaN势垒层的应变。当AlGaN势垒层的应变受到热退火处理而减小时,AlGaN势垒层的相对介电常数也随之减小当AlGaN势垒层完全驰豫时,AlGaN势垒层的相对介电常数会变为定值,不再受退火时间的影响。然而当样品在800。C下退火0.5h后,由于接触金属原子的大量扩散使得样品AlGaN势垒层的自发极化减弱,相对介电常数相应的减小。另外适当的热退火处理不仅可以减小器件的反向饱和漏电流,而且可以减小AlGaN势垒层的相对介电常数,从而可以抑制逆压电效应,提高器件的性能和稳定性。(c)热退火对AlGaN/GaN异质结肖特基接触其他特征参数的影响。对AlGaN/GaN异质结构上的Ni肖特基接触进行不同温度和不同时间的热退火处理,利用测试得到的C-V和I-V曲线,通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程计算,较为系统地研究了热退火对样品的电子费米能级(EF)、三角形势阱的深度(V2DEG)、二维电子气的分布等特征参数的影响。