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由于氮化镓（GaN）材料具有大禁带宽度、强击穿电场、高电子迁移率和高饱和电子漂移速度等优越的物理特性,GaN基电子器件比硅基电子器件更适合在高温、高压与高频等极端条件下工作。尤其是基于AlGaN/GaN或晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN异质结形成的GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）,凭借其良好的高频和大功率特性,成为电力电子、无线通信和雷达等领域的核心器件。除此之外,GaN材料具有稳定的化学性能,且利用其制备的HEMT检测器件灵敏度较高,使得近年来GaN基HEMT在生物和光电检测领域的应用也越来越广泛。但是,尽管GaN基HEMT的性能正不断取得突破,该器件的大规模商业化应用仍受到各种电学可靠性问题的限制。研究此类可靠性问题的物理本质,推动GaN基HEMT在微波功率和检测领域全面发展和应用,具有非常重要的科学意义与实用价值。鉴于此,本论文较深入地研究了GaN基HEMT中一些重要的电学可靠性问题,主要包括肖特基特性、电容特性、栅漏电流传输机制以及栅漏电流退化机制等。首先,根据实验需要设计并制备了不同结构的器件样品;然后,综合运用多种光电测试技术对样品进行测试;再结合半导体理论分析测试结果,深入探究可靠性问题的物理本质;最后,建立合适的物理模型,并提出了提高器件可靠性的一些可行方法。论文的主要研究内容概述如下。1.制备了两种重要的异质结HEMT器件:AlGaN/GaN HEMT和晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT;另外,为了方便研究栅极特性,制备了与HEMT结构栅特性等效的肖特基二极管结构。众多研究表明,AlGaN/GaN HEMT的制备工艺相对成熟,但是异质界面材料之间晶格不匹配导致的可靠性问题不容忽视;而实现晶格匹配的In0.17Al0.83N/GaN HEMT具有更好的性能,但是由于材料生长比较困难,材料中常存在多种类型的缺陷,因此也会导致一些新的可靠性问题。本文通过对这两种器件的比较分析,对多个电学可靠性问题进行了深入的研究。2.研究了GaN基HEMT的反向击穿行为和正向电流传输机制,有益于提高器件的肖特基特性。尽管In0.17Al0.83N/GaN肖特基二极管具有较大的肖特基势垒高度,但其反向漏电流较大且反向击穿电压较低,发生了过早击穿。使用光发射显微镜（EMMI）检测击穿后的器件发现,不同于AlGaN/GaN肖特基二极管的纵向击穿,In0.17Al0.83N/GaN肖特基二极管的击穿方向为横向;InAlN势垒层的高密度缺陷是引起过早击穿行为的主要原因。基于多种电流模型对GaN基HEMT的正向电流进行拟合,发现传统的热发射电流只在体电阻效应显著的高偏压下占主导,低偏电流主要为缺陷辅助隧穿电流。为了全面提高GaN基HEMT肖特基性能,采用合适的钝化技术并提高势垒层质量很有必要。3.表征了GaN基HEMT的异质界面缺陷,并解释了积累区电容随频率增加的反常现象,有利于提高器件高频应用的可靠性。采用电容-电压（C-V）平行电导法分析耗尽区电容频率散射曲线发现,AlGaN/GaN HEMT异质界面存在高密度的浅能级界面缺陷,缺陷能级主要集中在0.13eV-0.16eV,而实现晶格匹配的In0.17Al0.83N/GaN HEMT异质界面基本不存在界面缺陷。通过测试GaN基HEMT的积累区C-V变频曲线,发现高频下电容随频率的增加而增加,传统模型无法解释该现象。通过考虑漏电流、串联电阻和界面缺陷等非理想因素,对传统模型进行了修正;修正后的模型拟合结果能与实验结果很好地吻合,证明该现象是漏电流与界面态俘获电子共同作用的结果。4.澄清了GaN基HEMT反向栅漏电流的传输机制,为进一步降低栅漏电流提供了理论指导。在考虑极化电场的影响下,通过验证变温电流-电压（I-V）曲线,发现AlGaN/GaN HEMT的反向电流主要由Frenkel-Poole（FP）发射机制主导,偏压继续增加,电流逐渐趋于饱和;晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT反向低偏电流也为FP发射电流,但随偏压增加,较强的极化电场通过弯曲能带形成三角势垒,发生Fowler-Nordheim（FN）隧穿。此外,解释了零偏压下的电流平衡问题:通过比较极小偏压下的电流温度依赖关系,发现零偏下的反向电流是被正向隧穿电流抵消的。5.提出了一个由高场FN隧穿导致GaN基HEMT栅漏电流退化的模型。在无应力晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT中观察到栅漏电流的典型退化行为,表明经典的逆压电模型并不是导致GaN基HEMT退化的主要机制。由此提出一个新的模型,强调高场FN隧穿过程释放的能量通过热效应产生新的缺陷,成为导致栅漏电流退化的主要原因;而退化产生的新缺陷主要在GaN层,可能为N空位。此外,还研究了源-漏应力导致的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT栅漏电流退化现象,由于该退化受温度和栅压影响明显,所以沟道热电子被认为是产生退化的主要原因。