GaN是第三代半导体材料的重要代表,用作电子器件时常以AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFETs）的形式出现。基于GaN材料的优势,AlGaN/GaN HFETs具有很高的击穿电场及饱和电子漂移速度;同时,在AlGaN/GaN异质结构中,无需故意掺杂即可得到高浓度、高迁移率的二维电子气（2DEG）,从而规避了 GaN材料本身的不足。这些优势使得AlGaN/GaN HFETs特别契合高频和大功率领域的应用,无论是在军事国防、航空航天等非民用场景,还是在智能手机、新能源汽车、小型基站等民用领域,都具有十分广阔的应用前景。对AlGaN/GaN HFETs的研究,有利于器件特性的改善,加快其商业化进程,这既符合日常应用的需求,又具有国家层面的战略意义。为提升器件性能,在AlGaN/GaN HFETs发展过程中,出现过许多独特的结构,如:T型栅结构,平面栅结构、三栅结构等。其中,大部分结构都已得到充分的研究,但分裂栅结构却并未获得足够的关注。分裂栅结构最早出现在AlGaAs/GaAs高电子迁移率晶体管（HEMTs）中,当时的研究者主要利用这种特殊结构,实现器件导电沟道从二维至一维的转换,从而对这种一维沟道中的相关物理机制进行研究。在AlGaN/GaN HFETs中,与分裂栅器件相关的研究更少,研究思路也与之前高度相似。相关研究取得了许多重要成果,不过研究方向始终未能展宽。某种意义上说,作为实现电子输运沟道维度转化的工具,分裂栅结构已得到了广泛的研究;但作为独立的电子器件,分裂栅AlGaN/GaN HFETs的工作机理、性能优化、实际应用等问题,目前仍未见有相关研究报道。另一方面,作为AlGaN/GaN HFETs中的重要散射机制,极化库仑场（PCF）散射对器件性能有着不容忽视的影响。在过去的研究中,已从器件结构、材料组成、工艺条件、参数优化、理论建模等诸多方面,对PCF散射进行了深入研究,并形成了相对完善的理论体系。然而,这些研究都是针对常规器件进行的,并未涉及分裂栅器件。由于PCF散射的定量描述与器件结构关系密切,在常规器件中建立的理论模型无法直接应用于分裂栅器件,需要建立新的理论模型。基于上述问题,本论文首次将PCF散射与分裂栅AlGaN/GaN HFETs结合在一起,从独立器件的角度出发,针对分裂栅AlGaN/GaN HFETs的散射理论、工作机制、应用优势、结构优化等方面展开了系统的研究。首先进行散射理论的研究,并在分裂栅AlGaN/GaN HFETs中建立起基于PCF散射的低场电子迁移率理论模型;随后将PCF散射与器件调控相关联,完善了分裂栅器件的工作机理;接着研究了亚微米栅长的分裂栅器件,阐述了其用于A类共源电压放大器的优势;之后提出全新的辅助栅结构,优化了分裂栅器件的饱和特性;最后设计了新的实验,以确定分裂栅器件开口区域的有效宽度,并以此为基础,进一步研究了分裂栅器件栅长对PCF散射的影响。本论文研究的具体内容如下:1、基于极化库仑场散射的分裂栅AlGaN/GaN异质结场效应晶体管低场电子迁移率理论模型。以PCF散射为重点,研究了分裂栅AlGaN/GaN HFETs中的散射机制,并在分裂栅器件中构建出基于PCF散射的低场电子迁移率模型。由于栅极结构的不同,分裂栅器件与常规器件的极化电荷分布也有所区别,将分裂栅器件的极化电荷分布与常规器件PCF散射的计算方法相结合,推导出分裂栅器件中与PCF散射相关的表达式。综合考虑以PCF散射为重点的多种散射机制,得到了分裂栅器件的低场电子迁移率理论模型。利用自洽迭代的思路,通过开口区域沟道电阻理论值与实验值的对比和迭代,实现了对上述理论模型的定量求解。该研究为分裂栅AlGaN/GaN HFETs中PCF散射的定量计算奠定了基础。2、分裂栅AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的工作机理和应用前景。重点研究了分裂栅AlGaN/GaN HFETs的工作机理,并对其应用前景进行了简单的分析和展望。首先,制备出常规器件以及栅极开口宽度不同的分裂栅器件,所有器件均位于同一片AlGaN/GaN异质结材料之上,除栅极开口宽度外其余尺寸相同。对比器件的电流-电压（I-V）输出特性可发现,分裂栅器件的关断电压要小于常规器件,且开口宽度越大,器件越难关断。当栅下沟道2DEG被耗尽时,常规器件直接关断,而分裂栅器件的开口区域依然可以导通,器件的漏-源电流IDS仍能受到栅-源电压VGS的有效调控。根据器件的电容-电压（C-V）特性,分析了栅极边缘电场对开口区域有效宽度的影响,并发现仅靠栅极边缘电场无法使分裂栅器件关断。在进一步排除其他因素之后,将PCF散射理论引入分裂栅器件的调控机制,并对沟道电子的低场电子迁移率进行了定量计算,发现栅偏压可以通过PCF散射影响沟道电子迁移率,从而实现对开口区域电流的调控。通过分析器件的饱和特性,发现对于分裂栅器件的开口区域,其饱和机理与无栅器件类似,都是借助表面电子注入形成的虚栅来实现的。分析器件的转移特性可发现,分裂栅器件具有两种工作模式,其中,低跨导模式适用于低功耗的A类共源电压放大器。相关研究还表明,栅极开口宽度不同的器件,其阈值电压也不相同,这为器件阈值电压的调控提供了简洁而有效的新方法。该研究完善了分裂栅器件的工作机理,同时也预示了分裂栅器件在电路领域的广阔应用前景。3、亚微米栅长的分裂栅AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的研究。从应用角度出发,研究了亚微米栅长的分裂栅AlGaN/GaN HFETs,重点分析了分裂栅器件作为电压放大器的优势。首先进行AlGaN/GaN HFETs的制备与直流特性测试,用作对比的分裂栅器件和常规器件材料相同、尺寸相近。分析直流测试结果可发现,在栅下沟道2DEG被耗尽的情况下,由于PCF散射和栅极边缘电场的综合调控,亚微米栅长的分裂栅器件仍可正常工作,但其导通电流要远大于理论预估值。随后从电场的角度出发,提出了开口区域有效宽度扩展的理论假设,从而定性上解释了电流过大的问题。最后,分别研究了分裂栅器件和常规器件用作A类共源电压放大器时的特性,并对两者进行了对比分析。研究表明,作为A类共源电压放大器,分裂栅器件可以有效放大更大的输入电压信号,同时实现更高的线性度和更低的功耗。由于亚微米的栅长与实际应用中的器件尺寸更为贴近,该研究对分裂栅器件在实际电路中的应用更具指导意义。4、具有辅助栅结构的分裂栅AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的研究。对分裂栅AlGaN/GaN HFETs的饱和特性展开研究,并提出了可以大幅提升分裂栅器件饱和特性的辅助栅结构。首先在同样的材料上制备了多个不同结构的AlGaN/GaN HFETs,并测试其C-V特性和I-V输出特性。根据C-V特性可以提取器件栅下沟道的夹断电压,根据I-V输出特性可以对比不同器件的饱和特性与饱和机制。研究表明,普通分裂栅器件的饱和特性通常较差。未钝化的普通分裂栅器件,其电流饱和主要受表面虚栅影响,而钝化后的普通分裂栅器件,主要依靠自热效应实现电流饱和。在主栅和漏极之间引入电位为0V的辅助栅后,电流饱和可以通过辅助栅处的沟道夹断来实现,从而使分裂栅器件的饱和特性得到大幅改善。通过进一步分析可发现,具有辅助栅的分裂栅器件兼具分裂栅器件与常规器件两者的特性和功能,利用主栅和辅助栅之间不同的电位组合,既可以减小沟道电流,进而提升器件的低功耗特性,又能够在极大的范围内调控器件的阈值电压,这些特性都是其他结构的器件难以实现的。该研究对分裂栅器件的性能完善和应用拓展有重要意义。5、器件尺寸对分裂栅AlGaN/GaN异质结场效应晶体管开口区域有效宽度及极化库仑场散射的影响。通过全新的实验设计,研究了分裂栅AlGaN/GaN HFETs开口区域的有效宽度,并进一步分析了栅长和PCF散射的关联关系。首先以分裂栅结构为基础,设计出具有特殊台面结构的无栅器件,并对不同尺寸的无栅器件进行了制备和I-V特性测试。对测试结果的分析表明,基于沟道电场分布的有效宽度扩展理论定性上符合实验规律,但定量表达式并不严格成立。之后从实验结果出发,在忽略具体物理机制的前提下,总结出了开口区域有效宽度的经验表达式,并对该表达式的有效性进行了实验验证。最后,通过对不同栅长分裂栅器件开口区域低场电子迁移率的定量计算,研究了 PCF散射与器件栅长的关联关系,并发现增大栅长可以增强PCF散射,进而降低沟道电子迁移率。该研究完善了分裂栅AlGaN/GaN HFETs中的部分理论机制,对相关参数的准确求解具有重要意义。