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GaN基异质结场效应晶体管(GaN-Based heterostructure field effect transistors，GaN-Based HFETs)是新一代半导体器件的杰出代表，由于其具有高电子迁移率、高临界击穿电场等优越性能，在高频、大功率领域具有广阔应用前景，是支撑下一代无线通讯、航空航天、新能源汽车等高新技术产业的核心电子元器件，契合国家重大战略需求，有利于国家产业自主创新发展和转型升级，具有重要的研究价值。
经过近三十年发展，对GaN-BasedHFETs相关物理机制的认识逐渐加深，对GaN-BasedHFETs材料和器件结构、制备工艺等进行了长期的探索，器件性能得到了大幅提升，商业化进程不断加快，目前，在部分领域，已经推出了商业化的芯片产品。但是，当前也存在制约进一步商业化应用的因素:强极化效应、表面态问题和电流崩塌等对GaN-BasedHFETs可靠性产生重要影响，还有增强型GaN-BasedHFETs技术不够成熟，这些都亟需进一步解决。加之，GaN-BasedHFETs依然有很多问题需要进一步深入研究。例如:极化库仑场(polarization Coulomb field，PCF)理论与GaN-BasedHFETs器件性能关联关系的进一步深入研究，主要包括:器件势垒层优化和增强型器件性能与PCF散射关联关系等。这些研究对于明确GaN-BasedHFETs器件物理机制，进一步提升GaN-BasedHFETs器件性能具有重要意义。
强极化效应是GaN材料区别于其它半导体材料的重要特征，其对GaN-BasedHFETs性能产生了重要影响。无需掺杂，GaN-BasedHFETs异质结界面就可以产生～1×1013cm-2的二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)。PCF散射是与GaN-BasedHFETs中强极化效应紧密相关的一种散射机制，它是由势垒层应变分布不均匀产生微扰散射势对电子散射引起。自从该散射提出以来，从器件工艺、器件尺寸等方面进行了大量研究，研究表明，PCF散射对器件性能和可靠性会产生重要影响。然而，对于PCF散射，理论模型有待进一步完善。器件势垒层优化是提高器件性能的重要途径，AlGaN/GaNHFETs的AlGaN势垒层Al组分和厚度改变会对AlGaN势垒层强极化效应产生影响，由此，影响AlGaN/GaNHFETs器件性能，这些影响因素与PCF散射的关联关系亟需明确。此外，随着GaN-BasedHFETs在超高频领域的发展，需要对器件尺寸进行缩放，为了保持大的纵横比，避免出现短沟道效应，以超薄AlN作为势垒层的AlN/GaNHFETs出现，该结构成为GaN-BasedHFETs在超高频领域应用非常有前途的器件结构之一。AlN材料极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射关联关系是一个需要研究的重要问题。另外，由于AlGaN/GaN异质结存高密度的2DEG，常规AlGaN/GaNHFETs是耗尽型(depletionmode，D-模)器件，在功率转换应用中，电源转换器开启时，功率器件的栅极必须施加负栅偏压，保持器件通道的关断，否则，器件会短路。因此，要实现功率转换系统结构简单、低功耗和低成本的要求，需要采用增强型(enhancedmode，E-模)器件。P-GaN/AlGaN/GaNHFETs被认为是最具商业化应用潜力的实现增强型器件的方法。PCF散射对P-GaN/AlGaN/GaNHFETs器件性能的影响还从未有过研究报道。
本文从以上问题出发，将PCF散射与当前GaN-BasedHFETs面临问题相结合，首先研究了PCF散射的电子体系，进一步完善和发展了PCF散射理论模型。再基于PCF散射理论，研究确定了AlGaN/GaNHFETsAlGaN势垒层Al组分和厚度与PCF散射的关联关系，为势垒层优化提供了新的思路。又对具有超薄AlN势垒层的AlN/GaNHFETs中AlN势垒层极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射的关联关系进行分析研究。最后对P-GaN/AlGaN/GaNHFETs中PCF散射对器件电学性能的影响机制进行研究，首次发现PCF散射引起的增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs寄生源电阻(RS)的栅极偏置依赖性。通过本文研究，力图通过完善和发展PCF散射理论，深入理解GaN-BasedHFETs中强极化效应与器件性能相互作用的相关机理，为提高器件可靠性，优化器件电学性能提供新的理论依据。具体内容如下:
1.AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中极化库仑场散射的电子体系研究
对AlGaN/GaNHFETs中PCF散射的电子体系进行研究。制备了栅长为200nm、100nm和30nm，栅-源间距为1μm，栅宽为40×2μm的AlGaN/GaNHFETs。针对当前PCF散射基态哈密顿量选取原则不明确的问题，采取把栅-源、栅下和栅-漏区域2DEG看作三个独立电子体系和漏-源沟道2DEG看作统一电子体系两种不同计算PCF散射的方法分析计算上述三个不同栅长AlGaN/GaNHFETs器件，对应两种不同的方法选取不同的基态哈密顿量，结合测试得到的制备器件的电流-电压(I-V)数据，通过自洽迭代的方法计算得到栅下电子迁移率和附加极化电荷。从附加极化电荷角度分析两种方法哪种更合理。由于栅下区域2DEG会随着栅偏压的减小(栅偏压减小对应栅偏压负偏压增大)而降低，而把漏-源沟道2DEG看作统一电子体系的方法在计算过程中不能够考虑栅下2DEG密度随栅偏压的变化，基态波函数中使用的是栅偏压为0V时的2DEG密度，这就使2DEG密度被高估，影响计算结果准确性，在栅长越大和栅偏压越小的情况下产生的影响越大。而把漏-源沟道2DEG划分为三个电子体系，栅-源电子体系、栅下电子体系和栅-漏电子体系，计算每个电子体系的PCF散射时，以该体系的极化电荷作为基准，其他两个体系极化电荷与基准极化电荷的差值作为附加散射势产生对该体系电子的PCF散射，这就可以在计算过程中充分考虑栅下2DEG密度随栅偏压的变化，更能真实反应PCF散射机制，使计算结果准确，该成果完善了PCF散射理论。
2.AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中AlGaN势垒层Al组分与极化库仑场散射关联关系研究
基于PCF散射理论，研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层Al组分与PCF散射的关联关系。在AlGaN势垒层Al组分为0.17和0.26的AlGaN/GaN异质结材料上制备了相同尺寸的双指栅AlGaN/GaNHFETs，器件栅长为0.6μm，栅-源(栅-漏)间距为1.5μm，栅宽为40×2μm。通过实验测试得到电流-电压(I-VV)和电容-电压(C-V)数据，基于PCF散射理论模型计算得到栅下附加极化电荷和电子迁移率。通过对栅下附加极化电荷、电子迁移率和2DEG密度的综合分析，发现增加AlGaN势垒层Al组分会导致栅下附加极化电荷和2DEG密度都增加，这两种因素都会对PCF散射强度产生重要影响。更多的栅下附加极化电荷产生更强的PCF散射势，因此，这个因素会增强PCF散射;然而，PCF散射是一种对2DEG密度很敏感的库仑散射，2DEG密度越高，AlGaN/GaN异质结三角形量子阱更深，量子限制效应强，电子动能更大，PCF散射势对2DEG的散射作用减弱，而且2DEG密度高时，较强的库仑屏蔽效应也会减弱PCF散射强度。所以，更大的2DEG密度会削弱PCF散射。栅下附加极化电荷和2DEG密度对PCF散射的贡献是相反的。对于本文研究的样品，2DEG密度增加对PCF散射的影响大于栅下附加极化电荷增多产生的影响。可以推断，PCF散射强度随Al组分的增加而增加或减少，这取决于栅下附加极化电荷和2DEG密度对PCF散射的影响谁占主导地位。本研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层Al组分与PCF散射的关联关系，并为优化AlGaN势垒层中的Al组分、根据不同需要调整PCF散射强度提供了新思路。该成果有益于AlGaN/GaNHFETs材料和器件结构优化。
3.AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中AlGaN势垒层厚度与极化库仑场散射关联关系研究
基于PCF散射理论，研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层厚度与PCF散射的关联关系。在AlGaN势垒层厚度为15.5nm、19.3nm和24.7nm的AlGaN/GaN异质结材料上制备了相同尺寸的AlGaN/GaNHFETs，器件栅长为4μm，栅-源(栅-漏)间距为10μm，栅宽为70μm。利用实验测试得到的I-V和C-V数据，基于PCF散射理论模型计算得到栅下附加极化电荷和电子迁移率。对栅下附加极化电荷、电子迁移率和2DEG密度进行综合分析，发现AlGaN势垒层厚度较厚的样品，当栅极施加相同栅偏压时，栅下势垒层中电场强度更小，栅下势垒层逆压电效应更弱，所以导致栅下产生更少的附加极化电荷，更少的附加极化电荷对应更弱的PCF散射势;而且，AlGaN势垒层厚度较厚的样品2DEG密度更高，更高的2DEG密度也会使PCF散射强度减弱。所以，AlGaN势垒层厚度的增加会使栅下附加极化电荷减少和2DEG密度增加，这两个因素都会减弱PCF散射强度。可以推断，AlGaN势垒层越厚，PCF散射越弱(不发生应变弛豫的情况下)。因此，可以通过增加势垒层厚度来降低PCF散射强度。本研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层厚度与PCF散射的关联关系，并为优化AlGaN势垒层厚度，抑制PCF散射强度提供了新思路。该成果也有益于AlGaN/GaNHFETs材料和器件结构优化。
4.AlN/GaN异质结场效应晶体管中AlN势垒层与极化库仑场散射的关联关系研究
研究确定了AlN/GaNHFETs中AlN势垒层极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射的关联关系。在具有超薄势垒层的AlN/GaN异质结材料上制备了亚微米T型栅AlN/GaNHFETs，器件栅长为0.5μm和0.6μm，栅-源(栅-漏)间距为1.7μm，栅宽为40×2μm。基于PCF散射理论计算了两样品附加极化电荷和电子迁移率。一方面，由于AlN/GaNHFETs的AlN势垒层非常薄，栅极施加栅偏压后，势垒层中电场强度很强，且AlN材料压电系数大，因此，逆压电效应很强。栅下产生大量附加极化电荷，这会产生较大的PCF散射势，从而增强PCF散射。然而，栅偏压引起的逆压电效应不能使AlN势垒层无限应变，随着栅偏压的减小，附加极化电荷会出现饱和现象。另一方面，AlN/GaNHFETs的AlN势垒层非常薄，栅下2DEG密度更容易被施加的负栅偏压耗尽。随着栅偏压的减小，栅下2DEG密度迅速降低。2DEG密度的减少将使附加散射势对2DEG的散射效果增强，从而使PCF散射强度增大。本研究确定了AlN/GaNHFETs中AlN势垒层极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射的关联关系，为AlN/GaNHFETs材料和器件结构优化提供新的理论依据。
5.极化库仑场散射对增强型P-GaN/AlGaN/GaN异质结场效应晶体管寄生源电阻的影响研究
在Si(111)衬底的P-GaN/AlGaN/GaN异质结材料上制备了不同器件尺寸的增强型(E模)P-GaN/AlGaN/GaNHFETs，针对PCF散射对增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs寄生源电阻(RS)的影响机制进行了研究。通过栅探针法(gate-probe method)测试得到每个样品不同栅偏压对应的RS，发现RS随栅偏压有明显变化，不同器件尺寸样品的RS随栅偏压的变化也不同。分析表明凰的变化由栅-源区域电子迁移率决定。器件工艺和栅偏压引起的附加极化电荷产生附加微扰势对栅-源区域电子具有PCF散射作用。器件尺寸和栅偏压影响PCF散射强度，进而引起不同尺寸器件的栅-源区域电子迁移率不同以及相同尺寸器件在不同栅偏压下栅-源区域电子迁移率也不同。本文研究首次发现PCF散射引起增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs的RS栅极偏置依赖性，为深入研究增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs的RS，优化器件性能提供了新的理论依据。
经过近三十年发展，对GaN-BasedHFETs相关物理机制的认识逐渐加深，对GaN-BasedHFETs材料和器件结构、制备工艺等进行了长期的探索，器件性能得到了大幅提升，商业化进程不断加快，目前，在部分领域，已经推出了商业化的芯片产品。但是，当前也存在制约进一步商业化应用的因素:强极化效应、表面态问题和电流崩塌等对GaN-BasedHFETs可靠性产生重要影响，还有增强型GaN-BasedHFETs技术不够成熟，这些都亟需进一步解决。加之，GaN-BasedHFETs依然有很多问题需要进一步深入研究。例如:极化库仑场(polarization Coulomb field，PCF)理论与GaN-BasedHFETs器件性能关联关系的进一步深入研究，主要包括:器件势垒层优化和增强型器件性能与PCF散射关联关系等。这些研究对于明确GaN-BasedHFETs器件物理机制，进一步提升GaN-BasedHFETs器件性能具有重要意义。
强极化效应是GaN材料区别于其它半导体材料的重要特征，其对GaN-BasedHFETs性能产生了重要影响。无需掺杂，GaN-BasedHFETs异质结界面就可以产生～1×1013cm-2的二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)。PCF散射是与GaN-BasedHFETs中强极化效应紧密相关的一种散射机制，它是由势垒层应变分布不均匀产生微扰散射势对电子散射引起。自从该散射提出以来，从器件工艺、器件尺寸等方面进行了大量研究，研究表明，PCF散射对器件性能和可靠性会产生重要影响。然而，对于PCF散射，理论模型有待进一步完善。器件势垒层优化是提高器件性能的重要途径，AlGaN/GaNHFETs的AlGaN势垒层Al组分和厚度改变会对AlGaN势垒层强极化效应产生影响，由此，影响AlGaN/GaNHFETs器件性能，这些影响因素与PCF散射的关联关系亟需明确。此外，随着GaN-BasedHFETs在超高频领域的发展，需要对器件尺寸进行缩放，为了保持大的纵横比，避免出现短沟道效应，以超薄AlN作为势垒层的AlN/GaNHFETs出现，该结构成为GaN-BasedHFETs在超高频领域应用非常有前途的器件结构之一。AlN材料极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射关联关系是一个需要研究的重要问题。另外，由于AlGaN/GaN异质结存高密度的2DEG，常规AlGaN/GaNHFETs是耗尽型(depletionmode，D-模)器件，在功率转换应用中，电源转换器开启时，功率器件的栅极必须施加负栅偏压，保持器件通道的关断，否则，器件会短路。因此，要实现功率转换系统结构简单、低功耗和低成本的要求，需要采用增强型(enhancedmode，E-模)器件。P-GaN/AlGaN/GaNHFETs被认为是最具商业化应用潜力的实现增强型器件的方法。PCF散射对P-GaN/AlGaN/GaNHFETs器件性能的影响还从未有过研究报道。
本文从以上问题出发，将PCF散射与当前GaN-BasedHFETs面临问题相结合，首先研究了PCF散射的电子体系，进一步完善和发展了PCF散射理论模型。再基于PCF散射理论，研究确定了AlGaN/GaNHFETsAlGaN势垒层Al组分和厚度与PCF散射的关联关系，为势垒层优化提供了新的思路。又对具有超薄AlN势垒层的AlN/GaNHFETs中AlN势垒层极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射的关联关系进行分析研究。最后对P-GaN/AlGaN/GaNHFETs中PCF散射对器件电学性能的影响机制进行研究，首次发现PCF散射引起的增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs寄生源电阻(RS)的栅极偏置依赖性。通过本文研究，力图通过完善和发展PCF散射理论，深入理解GaN-BasedHFETs中强极化效应与器件性能相互作用的相关机理，为提高器件可靠性，优化器件电学性能提供新的理论依据。具体内容如下:
1.AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中极化库仑场散射的电子体系研究
对AlGaN/GaNHFETs中PCF散射的电子体系进行研究。制备了栅长为200nm、100nm和30nm，栅-源间距为1μm，栅宽为40×2μm的AlGaN/GaNHFETs。针对当前PCF散射基态哈密顿量选取原则不明确的问题，采取把栅-源、栅下和栅-漏区域2DEG看作三个独立电子体系和漏-源沟道2DEG看作统一电子体系两种不同计算PCF散射的方法分析计算上述三个不同栅长AlGaN/GaNHFETs器件，对应两种不同的方法选取不同的基态哈密顿量，结合测试得到的制备器件的电流-电压(I-V)数据，通过自洽迭代的方法计算得到栅下电子迁移率和附加极化电荷。从附加极化电荷角度分析两种方法哪种更合理。由于栅下区域2DEG会随着栅偏压的减小(栅偏压减小对应栅偏压负偏压增大)而降低，而把漏-源沟道2DEG看作统一电子体系的方法在计算过程中不能够考虑栅下2DEG密度随栅偏压的变化，基态波函数中使用的是栅偏压为0V时的2DEG密度，这就使2DEG密度被高估，影响计算结果准确性，在栅长越大和栅偏压越小的情况下产生的影响越大。而把漏-源沟道2DEG划分为三个电子体系，栅-源电子体系、栅下电子体系和栅-漏电子体系，计算每个电子体系的PCF散射时，以该体系的极化电荷作为基准，其他两个体系极化电荷与基准极化电荷的差值作为附加散射势产生对该体系电子的PCF散射，这就可以在计算过程中充分考虑栅下2DEG密度随栅偏压的变化，更能真实反应PCF散射机制，使计算结果准确，该成果完善了PCF散射理论。
2.AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中AlGaN势垒层Al组分与极化库仑场散射关联关系研究
基于PCF散射理论，研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层Al组分与PCF散射的关联关系。在AlGaN势垒层Al组分为0.17和0.26的AlGaN/GaN异质结材料上制备了相同尺寸的双指栅AlGaN/GaNHFETs，器件栅长为0.6μm，栅-源(栅-漏)间距为1.5μm，栅宽为40×2μm。通过实验测试得到电流-电压(I-VV)和电容-电压(C-V)数据，基于PCF散射理论模型计算得到栅下附加极化电荷和电子迁移率。通过对栅下附加极化电荷、电子迁移率和2DEG密度的综合分析，发现增加AlGaN势垒层Al组分会导致栅下附加极化电荷和2DEG密度都增加，这两种因素都会对PCF散射强度产生重要影响。更多的栅下附加极化电荷产生更强的PCF散射势，因此，这个因素会增强PCF散射;然而，PCF散射是一种对2DEG密度很敏感的库仑散射，2DEG密度越高，AlGaN/GaN异质结三角形量子阱更深，量子限制效应强，电子动能更大，PCF散射势对2DEG的散射作用减弱，而且2DEG密度高时，较强的库仑屏蔽效应也会减弱PCF散射强度。所以，更大的2DEG密度会削弱PCF散射。栅下附加极化电荷和2DEG密度对PCF散射的贡献是相反的。对于本文研究的样品，2DEG密度增加对PCF散射的影响大于栅下附加极化电荷增多产生的影响。可以推断，PCF散射强度随Al组分的增加而增加或减少，这取决于栅下附加极化电荷和2DEG密度对PCF散射的影响谁占主导地位。本研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层Al组分与PCF散射的关联关系，并为优化AlGaN势垒层中的Al组分、根据不同需要调整PCF散射强度提供了新思路。该成果有益于AlGaN/GaNHFETs材料和器件结构优化。
3.AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中AlGaN势垒层厚度与极化库仑场散射关联关系研究
基于PCF散射理论，研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层厚度与PCF散射的关联关系。在AlGaN势垒层厚度为15.5nm、19.3nm和24.7nm的AlGaN/GaN异质结材料上制备了相同尺寸的AlGaN/GaNHFETs，器件栅长为4μm，栅-源(栅-漏)间距为10μm，栅宽为70μm。利用实验测试得到的I-V和C-V数据，基于PCF散射理论模型计算得到栅下附加极化电荷和电子迁移率。对栅下附加极化电荷、电子迁移率和2DEG密度进行综合分析，发现AlGaN势垒层厚度较厚的样品，当栅极施加相同栅偏压时，栅下势垒层中电场强度更小，栅下势垒层逆压电效应更弱，所以导致栅下产生更少的附加极化电荷，更少的附加极化电荷对应更弱的PCF散射势;而且，AlGaN势垒层厚度较厚的样品2DEG密度更高，更高的2DEG密度也会使PCF散射强度减弱。所以，AlGaN势垒层厚度的增加会使栅下附加极化电荷减少和2DEG密度增加，这两个因素都会减弱PCF散射强度。可以推断，AlGaN势垒层越厚，PCF散射越弱(不发生应变弛豫的情况下)。因此，可以通过增加势垒层厚度来降低PCF散射强度。本研究确定了AlGaN/GaNHFETs中AlGaN势垒层厚度与PCF散射的关联关系，并为优化AlGaN势垒层厚度，抑制PCF散射强度提供了新思路。该成果也有益于AlGaN/GaNHFETs材料和器件结构优化。
4.AlN/GaN异质结场效应晶体管中AlN势垒层与极化库仑场散射的关联关系研究
研究确定了AlN/GaNHFETs中AlN势垒层极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射的关联关系。在具有超薄势垒层的AlN/GaN异质结材料上制备了亚微米T型栅AlN/GaNHFETs，器件栅长为0.5μm和0.6μm，栅-源(栅-漏)间距为1.7μm，栅宽为40×2μm。基于PCF散射理论计算了两样品附加极化电荷和电子迁移率。一方面，由于AlN/GaNHFETs的AlN势垒层非常薄，栅极施加栅偏压后，势垒层中电场强度很强，且AlN材料压电系数大，因此，逆压电效应很强。栅下产生大量附加极化电荷，这会产生较大的PCF散射势，从而增强PCF散射。然而，栅偏压引起的逆压电效应不能使AlN势垒层无限应变，随着栅偏压的减小，附加极化电荷会出现饱和现象。另一方面，AlN/GaNHFETs的AlN势垒层非常薄，栅下2DEG密度更容易被施加的负栅偏压耗尽。随着栅偏压的减小，栅下2DEG密度迅速降低。2DEG密度的减少将使附加散射势对2DEG的散射效果增强，从而使PCF散射强度增大。本研究确定了AlN/GaNHFETs中AlN势垒层极强的极化效应和超薄的厚度与PCF散射的关联关系，为AlN/GaNHFETs材料和器件结构优化提供新的理论依据。
5.极化库仑场散射对增强型P-GaN/AlGaN/GaN异质结场效应晶体管寄生源电阻的影响研究
在Si(111)衬底的P-GaN/AlGaN/GaN异质结材料上制备了不同器件尺寸的增强型(E模)P-GaN/AlGaN/GaNHFETs，针对PCF散射对增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs寄生源电阻(RS)的影响机制进行了研究。通过栅探针法(gate-probe method)测试得到每个样品不同栅偏压对应的RS，发现RS随栅偏压有明显变化，不同器件尺寸样品的RS随栅偏压的变化也不同。分析表明凰的变化由栅-源区域电子迁移率决定。器件工艺和栅偏压引起的附加极化电荷产生附加微扰势对栅-源区域电子具有PCF散射作用。器件尺寸和栅偏压影响PCF散射强度，进而引起不同尺寸器件的栅-源区域电子迁移率不同以及相同尺寸器件在不同栅偏压下栅-源区域电子迁移率也不同。本文研究首次发现PCF散射引起增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs的RS栅极偏置依赖性，为深入研究增强型P-GaN/AlGaN/GaNHFETs的RS，优化器件性能提供了新的理论依据。