Ⅲ-Ⅴ族化合物材料氮化镓相比于硅材料具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强,是第三代半导体材料中的杰出代表。不同于传统硅基半导体器件,基于氮化镓材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,利用氮化镓异质结中的极化效应,在异质结界面获得具有高电子浓度、高电子迁移率以及高饱和电子漂移速度的横向电子沟道实现器件的导通。这些优异的电学特性决定了 AlGaN/GaNHEMTs器件在高频、高压以及高功率密度的功率半导体器件领域存在巨大的产业潜力。尽管AlGaN/GaNHEMTs在功率半导体领域具有广泛的产业前景,但现阶段应用在电力电子器件领域的AlGaN/GaNHEMTs仍存在着诸多技术性问题。由于平面型结构的AlGaN/GaNHEMTs需要通过横向的漂移区来承受器件的阻断耐压,因而如何通过电场优化,使器件在有限的漂移区长度内实现高耐压,是AlGaN/GaNHEMTs器件设计中的重要课题。为此,全球科研与产业界提出了一系列基于电场优化调制的结构与工艺优化设计。但迄今为止,国内外学者对于AlGaN/GaNHEMTs的耐压优化结构缺乏较为系统的数值模拟与理论分析,因而对于高压AlGaN/GaNHEMTs的产业化推广具有较低的实际指导价值。同时,AlGaN/GaN异质结结构存在天然导电二维电子气沟道,造成传统AlGaN/GaN HEMTs具有耗尽型(Depletion-Mode)的器件开关特性。因而如何实现与传统电力电子器件栅极驱动系统相兼容,且具有一定正阈值电压的增强型(Enhancement-Mode)AlGaN/GaN HEMTs器件,是AlGaN/GaN HEMTs被传统电力电子行业广泛接受的先决条件。尽管国内外学者提出了一系列实现增强型AlGaN/GaNHEMTs的结构和工艺方法,但现有的增强型AlGaN/GaNHEMTs实现方案均未能满足产业界对于稳定、低成本,且具有高阈值电压的增强型器件的需求。本文针对现有氮化镓功率器件在高压电场优化与增强型器件实现方法所存在的问题进行研究并展开设计优化与工艺研发,主要内容为:1)通过数值分析软件建立氮化镓AlGaN/GaN肖特基二极管(SBD,Schottky Barrier Diode)的二维仿真模型。引入优化的单层阳极场板与沟道下方的Mg掺杂(Magnesium Doped)电荷补偿层相结合,通过调整阳极场板的尺寸参数与Mg掺杂层的浓度与厚度参数,使器件在反向耐压时对二维电子气沟道以及体区内的可移动电子充分耗尽,并对器件的表面横向电场与体内纵向电场分布进行二维优化调制。实验中,采用高度T=0.5μm,长度L=3μm的阳极金属场板与厚度TP=0.28 μm,掺杂浓度为Np= 1×1017 cm3的Mg掺杂层的AlGaN/GaNSBD,在10.5μm的漂移区长度上获得1.8kV的反向耐压,相比于无电场优化传统器件的350V的反向耐压,提高了 4倍;相比仅采用优化阳极金属场板器件1.2kV的反向耐压,提高了 50%。2)提出了基于漏极金属界面优化与表面电场调制机理的新型肖特基/欧姆混合金属的漏极结构。通过将传统的欧姆接触漏极金属替换为肖特基/欧姆接触混合漏极金属,实现了器件阻断状态下漏极泄漏电流的有效抑制和器件耐压的显著提升。采用优化的肖特基/欧姆接触混合漏极金属的AlGaN/GaNHEMTs在9μm的漂移区上获得了 855 V的阻断耐压,相比于采用传统欧姆漏极金属的同尺寸HEMTs器件的450V阻断耐压,提高了 90%。进一步对优化后器件的泄漏电流抑制机理进行研究,并通过物理模型与二维TCAD仿真进行表征与验证。3)提出了在硅基氮化镓外延上通过高温热氧化的栅极凹槽刻蚀方法,获得具有较高阈值电压的增强型氮化镓MOS-HEMT器件。该方案利用氮化镓异质结结构的上下两层材料氧化反应的温度条件差异,在氧气环境中选择性地对AlGaN势垒层进行完全氧化,并使氧化反应自发停止于AlGaN/GaN的异质结界面位置。实验中,采用该方案的氮化镓MOS-HEMTs器件最终获得了+ 2.5V的阈值电压,+10V的栅极摆幅与200mA/mm的最大输出电流。同时,针对热氧化方法实现的硅基氮化镓MOS-HEMT器件工艺中存在的栅极凹槽刻蚀底部不均匀现象进行方案优化。将用于腐蚀AlGaN氧化生成物的KOH溶液替换为TMAH有机碱性溶液,利用其对AlGaN材料特有的侧向腐蚀机理,有效降低由于热氧化不均匀造成的栅极凹槽底部粗糙现象,从而获得具有高质量MOS界面的硅基氮化镓MOS-HEMT器件。采用该优化方案的硅基氮化镓MOS-HEMT,具有+2.5 V的阈值电压和低于0.2 V的转移特性偏移,相比于未优化方案器件的0.9 V偏移量,降低了 77%。同时由于优化后的MOS栅极凹槽具有更致密的氧化绝缘层覆盖,有效抑制了栅极泄漏电流,因而使器件在14 μm的漂移区获得了 930 V的击穿电压,相比未优化器件的580 V,提升了 60%。4)针对硅基氮化镓热氧化工艺中由于氧化反应各向异性较差而产生的栅极凹槽锯齿边缘现象,提出了基于KOH与H2O2混合溶液的栅极凹槽单步湿法刻蚀工艺。该方案中,通过混合溶液中同步进行的H2O2对AlGaN势垒层的氧化反应与KOH对氧化生成物的湿法腐蚀,自发实现了对AlGaN势垒层的不断刻蚀。通过对反应速率的精确控制,最终获得了具有良好刻蚀界面和刻蚀边缘的MOS栅极凹槽形貌。采用该方案制备的硅基氮化镓MOS-HEMT器件具有+3 V的阈值电压、极低的转移特性偏移量和栅极泄漏电流。实验获得的硅基氮化镓MOS-HEMT器件在28 μm的漂移区长度上实现了近250 mA/mm的最大输出电流与1.5 kV的阻断耐压。该方案具有工艺方法简单、稳定性高和工艺成本低等优势,为硅基氮化镓MOS-HEMT器件的商业化生产提供了一种全新的思路。