第三代半导体材料的代表GaN因为其宽带隙、高饱和电子速度、高击穿场强和耐高温抗辐照等特性已经成为当前半导体研究领域的热点。目前的研究工作已经在GaN基E/D模数字电路中广泛开展,基本数字门电路在增强器器件发展的基础上已经成功设计和制备。而作为集成电路中另一个重要的组成部分的肖特基二极管可以实现限流、限压、反向阻断、电平转换等功能。同时肖特基二极管也是HEMT器件的关键组成部分,肖特基二极管特性对HEMT器件的性能、可靠性有很大影响。因此对HEMT结构肖特基二极管的研究至关重要。在此背景下,本文对Ni-AlGaN/GaN肖特基接触特性和机理进行了深入系统的研究,设计和制备了以肖特基二极管作为关键器件的电平转换电路及SRAM单元电路。本文在第二章中设计并制备新型增强型HEMT器件。采用用8 nm超薄AlGaN势垒层结构和N2O等离子体处理工艺,成功制备了AlGaN/Ga N增强型HEMT器件。增强型器件的阈值电压最高可达0.86 V,最大跨导为330 mS/mm。器件的脉冲测试表明,N2O等离子体处理并未对器件的栅下区域造成严重损伤。在高温PECVD腔体内进行的N2O等离子处理工艺对栅下区域的2DEG的耗尽呈现出了自终止效应。作者认为器件从耗尽型经过高温N2O等离子体处理转变为增强型器件的原因是势垒层表面部分氧化和超薄势垒层使用的共同作用。在第三章中,深入研究了Ni-AlGaN肖特基二极管中的正向、反向和电极之间的导电特性和电子输运机制。用实验证明实际中的HEMT器件的肖特基反向电流是由面积相关电流和栅极边缘电流组成的。两种电流的不同电流-电压特性源自于栅极不同部分的不同电场分布,以及不同电场分布随电压的变化情况。通过比较不同边缘长度和面积的肖特基接触的电流-电压特征,从总的实测电流中提取了栅极边缘电流。面积相关电流在大的面积的肖特基接触,和相对低压偏置下占主要地位。而在高偏置栅极电压下,以及实际HEMT器件中,因为较低的面积/边缘长度比,栅极边缘漏电可以和面积相关电流相比拟,甚至大于面积相关电流。为了找到两种电流的导电机理,提出了一个分析栅极区域电场分布,电场随电压变化的理论解析模型。分析计算出栅极边缘电场在高偏置下是由横向扩展的耗尽层决定。栅极漏端边缘电场的影响范围是从栅极漏端进入到栅极内部一个ΔL的距离。通过计算拟合,在1.80MV/cm以上的场强下,栅极边缘漏电的主要漏电机制是F-N隧穿。ΔL的值依据不同栅极边缘条件为一百nm至几百nm之间。对比了F处理肖特基二极管和常规肖特基二极管,研究了Ni-AlGaN肖特基结正向电流的输运机制。使用精确的陷阱辅助隧穿电流模型计算,将实际测量的二极管电流-电压数据与模型计算数据进行拟合。常规hemt结构肖特基二极管正向导电分为低偏置区和高偏置区。在低偏置区,实际测量数据和陷阱辅助隧穿模型计算数据有很好的拟合度。解释了在低偏置时实际测量电流比热电子发射模型预测的值偏大的原因是,在低偏置低电场下陷阱辅助隧穿占了正向电流的主要部分。在0.70v到1.20v的高偏置区,热电子发射模型能够很好的符合测量数据。f处理后的hemt及结构肖特基二极管正向电流在低偏置下明显大于常规hemt结构肖特基二极管,也是因为陷阱辅助隧穿的结果,f处理引入的陷阱增强了陷阱辅助隧穿的电流。设计的双栅的测试结构成功地分离了hemt器件两个电极之间穿越势垒的电流和势垒层表面电流。sin层能显著降低势垒层表面漏电,势垒层表面漏电和表面的表面态密切相关。通过温度相关的电流-电压测量分析,表明在低偏置下的表面漏电机制是二维可变漂移电导,高场下则是f-p发射电导。通过优化设计的sin钝化前预处理工艺,sin层钝化可以进一步减小表面漏电。第四章研究了在高偏置下的hemt结构肖特基二极管和f处理hemt结构肖特基二极管的特性及可靠性。通过将hemt结构肖特基二极管与hemt有源电阻串联的新的测试方法,计算出来的常规hemt结构肖特基二极管和f处理hemt结构肖特基二极管的肖特基势垒高度为1.29ev和1.90ev。对hemt结构肖特基二极管在正反向大偏置下进行了可靠性研究。在高反向偏置下的常规hemt结构肖特基二极管和f处理hemt结构肖特基二极管的退化是电场驱动的逆压电效应。而f处理hemt结构二极管反向退化的逆压电临界电压要高于常规hemt结构肖特基二极管。由理论分析及计算,f处理hemt结构肖特基二极管高的临界电压是因为f离子的引入降低了势垒层内的饱和电场。在正向大电流偏置下的f处理hemt结构二极管的势垒层高度会有不同程度的降低,退化的主要应力是电流应力。f处理hemt结构二极管的正向电流密度超过530a/cm2后,其肖特基势垒高度会发生退化,且不可恢复。而常规hemt结构肖特基二极管在正向偏置下则表现稳定。脉冲应力下两种二极管的特性都保持稳定。指出f处理hemt结构肖特基二极管在大偏置下肖特基势垒高度的退化的机理是时间及电流驱动下的f离子偏移。常规hemt结构肖特基二极管在实际运用中各有优劣,在反向偏置下,f处理hemt结构肖特基二极管能有更高的临界电压,而正向偏置下,常规hemt结构肖特基二极管更具稳定性。在第五章及第六章,设计并首次实现了gan基e/d模6管sram单元电路和电平转换电路。在工作电压为1v时,sram单元电路的输出高电平为0.97v,输出低电平为0.07v,读写时序正确无误。电平转换电路采用4个串联的hemt结构肖特基二极管对电源电压进行电压转换,输出两路负电压。在6v和-6v的工作电压下,两路输出电压分别为-0.42v、-5.31v和-5.14v、-0.63v,完全可以控制耗尽型hemt器件的开启和关断。考察了电平转移电路的热稳定性,在200°c温度下,电平转换电路最大漂移值为0.42V。对F处理增强型HEMT器件和耗尽型HEMT器件进行高温的可靠性研究得出,电平转换电路的温度漂移是因为分压回路上的增强型器件和耗尽型器件的退化不一致,以及F处理增强型器件的阈值随温度退化而造成的。