In this letter, high power density AlGaN/GaN high electron-mobility transistors (HEMTs) on a freestanding GaN substrate are reported. An asymmetric Γ-shaped 500-nm gate with a field plate of 650 nm is introduced to improve microwave power performance. The breakdown voltage (BV) is increased to more than 200 V for the fabricated device with gate-to-source and gate-to-drain distances of 1.08 and 2.92 μm. A record continuous-wave power density of 11.2 W/mm@10 GHz is realized with a drain bias of 70 V. The maximum oscillation frequency (f_max) and unity current gain cut-off frequency (f_t) of the AlGaN/GaN HEMTs exceed 30 and 20 GHz, respectively. The results demonstrate the potential of AlGaN/GaN HEMTs on free-standing GaN substrates for microwave power applications.

为提升硅衬底氮化镓基LED（发光二极管）器件的光电性能和出光效率，本文提出了一种利用背后工艺实现的悬空薄膜蓝光LED器件。结合光刻工艺、深反应离子刻蚀和电感耦合等离子体反应离子刻蚀的背后工艺，制备了发光区域和大部分正负电极区域的硅衬底完全掏空，并减薄大部分氮化镓外延层的悬空薄膜LED器件。对悬空薄膜LED器件进行三维形貌表征，发现LED悬空薄膜表面平坦，变形程度小，证明背后工艺很好地解决了氮化镓外延层和硅衬底之间由于应力释放造成的薄膜变形问题。表征了LED器件的电流电压曲线和电致发光光谱等光电特性，对不同结构、不同发光区域尺寸的LED器件进行对比，发现悬空薄膜LED器件的光电性能和出光效率比普通LED器件更优越，且发光区尺寸变化对LED器件性能的影响更明显。在15 V驱动电压下，与普通LED器件相比，发光区直径为80 μm的悬空LED器件的电流从4.3 mA提升至23.9 mA。在3 mA电流的驱动下，峰值光强提升了约5倍，而发光区直径为120 μm的悬空器件与发光区直径为80 μm的悬空器件相比，出光效率提升更为明显。本研究为发展高性能悬空氮化物薄膜LED器件提供了更多可能性。

为了便于导出LED有源层的出射光，本文研究了亚微米厚度LED悬空薄膜的工艺实现、形貌表征和光学性能表征。采用光刻工艺、深反应离子刻蚀技术和快速原子束刻蚀技术相结合的背后工艺，实现了基于硅基氮化镓晶圆的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。本文利用白光干涉仪观察制备的超薄LED悬空薄膜的变形程度，发现薄膜变形大小与薄膜直径呈正相关，而与薄膜厚度呈负相关。薄膜变形大小低至纳米级，并且为中央凸起边缘平滑的拱形变形。通过反射谱测试发现未经加工的硅基氮化镓晶圆的反射模式数较多，而LED悬空薄膜的反射模式数大幅度减少，且反射谱整体光强明显提高。在光致发光测试中，发现由于应力释放，悬空薄膜的出射光峰值较硅基氮化镓晶圆出现了8.2 nm的蓝移，并且从背面也可以探测到移除了大部分外延层的超薄LED悬空薄膜有明显的出射光。这表明悬空薄膜在光致发光情况下更有利于导出发射光。本研究工作实现了厚度小、面积大、总体变形程度小、光学性能优良的LED悬空薄膜，为氮化镓基LED器件在光微机电领域的应用开辟了新的途径。