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基于第三代宽禁带半导体GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)由于其广阔的高频大功率应用前景而成为研究热点。针对当前实现高频、大功率AlGaN/GaN HEMT所面临的物理模型、电场理论及器件制备等相关科学技术问题,本文从器件物理角度出发,研究了AlGaN/GaN HEMT电荷控制模型和电流崩塌效应,探讨了器件耐压特性与提高耐压的场板技术。(1)通过近似简化非线性费米能级与二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)密度函数,然后取其在某点泰勒展开式前两项作为线性近似,建立了线性化费米能级与二维电子气密度关系解析模型。该模型大大增强了非线性费米能级与2DEG密度关系线性近似的精度和应用灵活性。基于势垒层耗尽近似、金属-绝缘体-半导体(metal-insulator-semiconductor,MIS)理论和含极化泊松方程,考虑了insulator/AlGaN界面陷阱或离子电荷对阈值电压的影响,应用所建立模型线性化费米能级与2DEG密度关系,建立了适用于增强型且兼容耗尽型AlGaN/GaN MISHEMT的线性电荷控制解析模型。进一步通过综合考虑AlGaN势垒层电荷和异质结界面极化电荷,详细分析MISHEMT整个电荷控制过程,将其分为全耗尽I区、部分耗尽II区、中性III区和电子insulator/AlGaN界面积累IV区,导出了各区相应的电荷控制关系,从而建立了适用于AlGaN/GaN MISHEMT全部栅工作电压的全域电荷控制解析模型。研究分析结果表明,2DEG在II区达到饱和,为确保栅对沟道的控制,栅工作电压不应超过2DEG饱和电压;II区栅压跨度约占2DEG饱和之前栅压范围的50%。上述三个模型在各自适用范围内均与实验结果符合良好。(2)实验研究了AlGaN/GaN HEMT栅阶跃脉冲响应,提出用快电子与慢电子释放两种过程来解释表面态电子弛豫,建立了漏极电流响应过程拟合算式,得到与快、慢电子释放相关的时间常数分别为τ1=0.23s、τ2=1.38s。MISHEMT insulator/AlGaN界面陷阱电荷提取研究表明,各种insulator/AlGaN界面陷阱密度大小可以近似排序为:NTS(Al2O3) > NTS(Si3N4)≈NTS(SiO2)。(3)实验研究AlGaN/GaN HEMT耐压特性表明,两端击穿与三端击穿测试是等效的;栅长对器件耐压影响较小;栅极与漏极(源极)距离为2μm时,击穿电压为60~70V,随距离增大近似以54V/μm线性提高。(4)研究了场板对沟道电场分布的调制,并对长栅漏距源场板,短栅漏距Γ栅场板、Z型源场板及Γ+Z混合结构场板进行了仿真优化,确定了击穿电压、频率特性与场板结构参数的关系。在栅漏距为2.2μm时,单一场板可使击穿电压达到400V,而Γ+Z混合结构可提高击穿电压到600V。Γ栅场板的频率特性受场板长度、绝缘层厚度影响较大,而Z型源场板频率特性受到的影响较小,甚至受长度的影响可以忽略。(5)基于实验研究结果和物理模型的优化设计,试制了SiC衬底0.4μm栅长,栅宽分别为3mm、1mm和100μm的AlGaN/GaN HEMT。获得最大输出功率密度为100μm栅宽器件,其在VDS=28V,8GHz连续波条件下最大功率密度为5.62W/mm,效率30.8%,增益7.49dB;获得最大总输出功率为1mm栅宽器件,其在VDS=25V,8GHz连续波条件下最大输出功率为3.05W,效率23.2%,增益5.85dB。100μm栅宽器件在VDS=16V时,获得的最大fT与fmax分别为39.4GHz和112GHz。本文的物理模型、实验研究与仿真优化结果可望用于器件特性的进一步建模或作为AlGaN/GaN HEMT性能评估、结构优化或工程设计参考。