氮化镓（GaN）是一种重要的直接带隙宽禁带半导体材料,在国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中被确定为重点发展方向之一。GaN材料具有宽禁带、高电子饱和速度和高击穿场强等比其它半导体材料更优秀的物理特性。在目前的半导体射频电子器件中,GaN基射频电子器件的功率密度最高,是传统硅基器件的2～5倍,同时具有很突出的工作频率和高压性能,可广泛应用于生化检测、电子对抗、卫星通信、移动通信和数字电视等领域;GaN基功率电子器件具有高开关速度、低导通电阻和高耐热等优点,能显著提高电路与系统的集成度,可广泛应用于无线充电、新能源汽车、航空航天和激光雷达等领域。尽管GaN基电子器件具有如此优越的性能,仍存在诸多物理问题限制了其进一步商业化,尤其是肖特基结构相关器件的物理问题,如严重的肖特基漏电流、高功率密度导致的肖特基结构附近温度过高以及长时间或高压工作引起的肖特基电极退化等。因此,深入研究这些肖特基结构相关的关键物理问题,促进GaN基电子器件的进一步发展,具有重要的科学意义和应用价值。鉴于当前GaN基电子器件的许多性能问题都与肖特基结构有关,本文着重对GaN基肖特基型器件相关的若干重要物理问题开展研究,主要包括肖特基接触的反向漏电、肖特基栅的应力退化、GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）的自热效应、GaN材料的离子注入和p型掺杂等。首先制备了一系列典型的GaN基肖特基型器件,包括肖特基势垒二极管（SBD）、In Al N/GaN HEMT等,设计和搭建了多个器件特性测试和表征系统;然后通过测试和分析器件的特性,研究了肖特基接触的输运机制、栅应力退化和结温等物理问题;最后针对GaN材料的p型掺杂问题,制备了采用氟离子（F+）注入的GaN基SBD,研究了F+离子注入SBD的电学特性,提出了F+离子诱导实现p型掺杂的模型。论文的主要研究内容归纳如下。1.研究了GaN基SBD电流-电压（I-V）特性的温度依赖性,经过分析确定了GaN基SBD的正向电流和反向漏电的输运机制皆为热场发射（TFE）机制,建立了一个精细的可导位错输运模型,推测出氧相关杂质可能是所观察到的TFE漏电流的起源。研究结果表明,垂直型GaN基SBD中TFE电流占主导作用,位错核心周围的浅施主能级可以降低有效表面势垒,导致显著的TFE漏电。位错相关的TFE模型与实验结果吻合较好。本文的实验结果和建模分析充分证明,观测到的漏电主要归因于位错中心附近局部导带能级的降低,而不是连续缺陷态或点缺陷;局部导带能级的降低造成有效禁带宽度减少,进而导致击穿电压降低。通过与已有研究工作比较,认为氧相关杂质是TFE漏电流的起源,可以通过表面钝化、补偿N空位来抑制GaN基器件中较高的漏电流。2.研究了GaN基HEMT关态时势垒层上下表面的场强分布,确定了场强随应力条件变化的规律,为后续实验工作提供了理论参考;利用自主搭建的微光显微测试系统,对GaN基HEMT关态下的步进和持续应力退化行为、热点的演变规律进行了分析,提出了器件的关态退化机制。研究结果表明,在In Al N势垒层和In Al N/GaN异质结界面的缺陷捕获效应被确认在器件初步退化过程中起着重要作用,而当栅漏电压或应力时间超过临界值时,样品表面电化学反应产生的类受主缺陷是导致栅漏电流（Ig）增加的主要原因,热点周围由电化学反应形成的排斥区是确认新热点位置的重要因素。通过研究热点的微光光谱,发现能带热收缩效应是热点峰位红移的主要原因。3.研究了GaN基HEMT的自热效应,论证了器件结温的准确测算对优化器件设计、提高可靠性的重要性。首先利用业界较权威的结温标定方法-拉曼光谱法对器件结温进行了标定,然后通过分析器件的寄生电阻、阈值电压和饱和电流等电学参数的温度依赖性确定了最高结温(Tpeak)与耗散功率(Pdiss)的关系。结果显示,与拉曼光谱法相比,利用电学参数对结温的测量方法虽然步骤简捷,但测量结果精度较低。因此,本文利用沟道电阻的温度依赖性,结合微光显微成像技术,提出了一种能精确测定Tpeak的电学方法。研究结果表明,GaN基HEMT在沟道开启正常工作时,栅极附近会出现显著的电致发光（EL）现象,且EL强度沿沟道近似呈三角形分布,强度峰值出现在栅极边缘靠漏极一侧。假设EL强度与沟道温度成线性关系,可建立简单的结温三角分布模型,通过测量沟道电阻与温度的关系,可确定三角分布的温度系数,进而确定Tpeak。从测量原理而言,通过电学参数测得的结温为沟道平均温度,而本文提出的方法与传统拉曼光谱法一样,可测得沟道峰值温度。因此,该新方法能更好地表征器件的温度特性,而且作为一种非破坏性测量方法,也更适用于实际的规模化生产过程。4.分析了F+离子注入GaN后的存在形式,制备了水平结构和垂直结构的F+离子注入GaN基SBD,研究了两种结构器件的电学特性,包括I-V特性、电容特性和EL特性等,基于实验结果提出了F+离子注入实现GaN p型掺杂的机制。研究结果表明,离子注入后满足了载流子隧穿的必要条件:（1）费米能级钉扎形成了较低的空穴势垒,（2）F-离子和电离的表面施主在近表面处形成了一个高电场,（3）在价带顶存在大量的空态。因此,来自金属的自由空穴可以进入半导体并在价带顶处积累,产生p型导电通道。不同尺寸SBD的垂直I-V曲线完全一致,且电流幅值与整个晶圆面积成正比,这有力地证实了p型导电通道的形成。此外,本文还制备了F+离子注入的MOS二极管,证明了存在空穴积累的过程,利用热探针法同样地证明了p型导电类型。