III族氮化物半导体因出色的材料特性以及在高温、高频、大功率应用的潜力已成为目前半导体领域的研究热点。得益于材料外延技术的进步、器件制备工艺的成熟以及器件结构的不断创新,氮化物器件在性能与商业化方面都取得了巨大进步。为突破常规AlGaN/GaN异质结的局限,新型高铝组分氮化物异质结成为了近几年的研究焦点。由于更宽的禁带、更强的极化效应等优势,其在多方面已显示出超越成熟的GaN基HEMT器件的能力。本文正是基于新颖的异质结结构进行器件的设计与优化,试图将先进的结构与器件设计相结合,探索适合高压、高频应用的器件。主要研究工作和成果如下:1、高功率增益场板结构和栅结构的研究。结合理论仿真与实验研究了源场板长度、介质厚度等因素对常规双场板器件功率增益的影响。研究表明源场板能够有效地屏蔽栅漏反馈电容,增强器件的功率增益和稳定性。场板长度对增益的增加呈现饱和趋势,而场板下的介质越薄,增益越高。提出一种新型单层栅、源双场板器件,特点为:击穿特性非常类似于传统栅场板器件,但功率增益却因源场板的存在而显著提高,栅、源场板的间距对电场和功率增益的调制有决定性作用。通过工艺优化,制备了场板间距为0.4?m的新型栅、源双场板器件,功率增益提高了2.4dB。并成功地将高增益双栅器件引入到氮化物半导体中,其功率增益的提高达5.0dB,且稳定工作频率范围更宽,我们认为这是毫米波应用的理想器件结构。成功地研制了先进的倾斜栅器件,倾斜槽栅结构中线性缓变的栅侧墙能够均匀化栅附近的电场,降低电场峰值,极大地抑制器件反向栅泄漏电流和电流崩塌效应。2、研究了典型的高铝组分薄势垒层GaN/Al0.65Ga0.35N/AlN/GaN异质结HEMT器件的基本特性。由于薄的势垒层,器件表现为增强型工作,并具有较好的直流特性、超低的漏至势垒降低效应(仅为3.3mV/V)、低的栅泄漏电流、良好的电流崩塌和击穿特性;在栅长为0.5μm情况下,fT和fmax分别为11.6GHz和27.2GHz,显示出高铝薄势垒层在抑制短沟道效应以及高频领域的优势。3、创新地对高K介质Al2O3、La2O3和三元材料La2-xAlxO3与GaN的能带对准特性进行了系统研究。从La2O3介质过渡到Al2O3介质,介质的禁带宽度、与GaN的导带差和价带差都呈现增加趋势。此外,介质一侧的能带弯曲表明,La2O3在GaN表面引入负固定电荷,Al2O3引入正固定电荷,La2-xAlxO3(x=1左右)基本不引入电荷。基于能带研究结果,设计并制作了高性能15nm Al2O3/La2-xAlx O3/Al2O3叠层栅介质MOS-HEMT器件,其饱和输出电流达到HEMT器件的2倍,为1367mA/mm,正反向栅电流得到显著抑制,而跨导与增益退化明显低于Si3N4介质,缓和了漏电与增益的折衷问题。4、增强型器件的探索实现。探索出一种O2等离子体注入制备高铝组分薄势垒增强型器件技术。器件的阈值电压为+1.02V,最大跨导230mS/mm,尤其是亚阈值摆幅仅有70mV/Dec,并具有一定的阈值可控性优势。联合多种测量手段揭示出阈值电压调制的主要机制为势垒层的部分氧化,而势垒层应力的变化以及微弱的刻蚀作用也对阈值电压调制起到一定作用。研制出高性能O2等离子体处理叠层栅MOS-HEMT器件,器件表现出更高的最大工作栅压和优异的直流特性,比开态电阻为0.88mΩ·cm2,击穿电压在480V以上。5、为降低等离子体对沟道的损伤,提出了一种新的氟注入栅介质的方法代替传统氟离子注入增强型器件的制备工艺,利用介质内氟离子强的电负性调节阈值电压,获得了高性能的增强型器件,器件的阈值电压为+0.50V,IDS,max=916mA/mm,Gm,max=342mS/mm,其输出电流接近于常规耗尽型器件的值(~1A/mm),这个结果的综合指标在国际上属最优的,显示了F注入栅介质高铝组分势垒层增强型器件在微波毫米波常关应用和高速耗尽型/增强型器件集成电路等方面有大的潜力。6、探索制备了新型Al0.83In0.17N/AlN/Al0.05Ga0.95N异质结增强型器件。采用氟注入加槽栅刻蚀复合技术以及O2等离子体处理两种方法实现正向调节阈值电压。通过改进欧姆工艺,克服了高铝组分势垒层/沟道层异质结欧姆制作的困难,得到的接触电阻仅有0.12Ω·mm。两种器件的阈值均在0.50V左右,由于更大带宽的AlGaN层作为缓冲层,器件呈现出非常优越的亚阈值特性,其中O2等离子体处理器件的亚阈值摆幅仅有82mV/Dec。进一步,研制了AlGaN沟道MOS-HEMT器件,阈值电压增加到1.55V,最大电流为254 mA/mm,还具有良好的关态漏电和击穿特性。应当注意的是,本文得到的Al0.05Ga0.95N沟道Al0.83In0.17N基增强型器件的研究结果在国际上尚属首次。本文研究表明,先进的异质结结构、器件制备技术与器件结构三者相辅相成,共同促进氮化物器件性能的持续提高。