Al Ga N/Ga N异质结具有很强的自发和压电极化效应,即使在没有任何掺杂情况下,只有极化应力也能在Al Ga N/Ga N异质结界面的量子阱中产生高密度的二维电子气体。Al Ga N/Ga N HEMT在高频电子器件和高功率中具有很大应用潜力。然而,在高功率器件应用中,Al Ga N/Ga N HEMT的结温持续升高成为制约其进一步发展的瓶颈。传统衬底上的Al Ga N/Ga N HEMT具有显著的自热效应,所以需要考虑热的影响。而金刚石材料具有高热导率,金刚石层的引入为Al Ga N/Ga N HEMT提供了一种有效的热管理方法。在此背景下,本文主要开展对Al Ga N/Ga N HEMT器件特性的仿真研究以及结构优化,分析自热效应下温度,栅长以及金刚石材料对器件沟道温度、直流、交流特性的影响,为改善器件的散热问题提供有效途径,为金刚石在氮化镓器件上的应用发展提供理论指导。具体的研究内容和成果如下:首先,分析了自热效应对器件特性的影响。为考虑器件的自发热效应,在仿真中引入自热模型,得到器件的基本特性并与实验数据对比验证了仿真模型,为后续器件热仿真提供基础。并基于自热模型下仿真研究了温度和栅长对Ga N HEMT的输出特性影响。仿真得到随着温度的升高,器件的输出饱和漏电流下降;随着栅长减小,器件的输出漏电流增大,但器件的自热效应更加显著。由此表明,为提高Ga N HEMT在高温、大电流下工作的可靠性需要抑制器件的自热效应。接着,采用金刚石衬底和金刚石钝化层对器件结构优化来改善器件散热问题。对于金刚石衬底结构,仿真得到器件在金刚石衬底上与蓝宝石衬底上的晶格温度分布以及沟道处的横向温度分布曲线。仿真结果表明,在漏压为20V,栅压为0V时,基于金刚石衬底的器件晶格最高温度比基于蓝宝石衬底的器件低265K,金刚石衬底能有效降低器件的沟道温度。同时在外加偏置电压越大时,金刚石衬底对器件晶格温度的降低效果更明显。对于金刚石钝化层结构,仿真得到不同金刚石钝化层厚度下的器件晶格温度分布情况。研究结果表明随着钝化层厚度的增加,器件的晶格温度越低。由此可见,金刚石材料的应用能使器件获得更好的散热能力,促进了Ga N器件在大功率领域发展。然后在直流和交流特性方面,仿真研究了金刚石衬底对Ga N器件和背势垒结构Ga N HEMT直流和交流特性的影响。得到基于金刚石衬底的基本Ga N HEMT和背势垒结构Ga N HEMT输出饱和漏电流比基于传统蓝宝石衬底器件分别从0.61A/mm提高到0.92A/mm,0.4A/mm提高到0.58A/mm。交流特性方面,金刚石衬底结构对器件的优化,使得基本Ga N器件的截止频率和最高振荡频率分别提高了23%和54%。背势垒结构的Ga N器件的截止频率和最高振荡频率也分别从28.6GHz提高到32.9GHz,81.7GHz提高到101.6GHz。由此可表明,金刚石基Ga N器件在射频微波领域的应用也有广阔的前景。最后,通过以上仿真研究,获得了器件在自热效应下的沟道温度、直流、交流特性,以及金刚石材料对器件结构的优化结果。