论文首先对GaN基MOS-HEMT器件的制作工艺方法进行了研究和优化,在器件表面钝化工艺中,提出了采用先低后高的起辉功率,提高了Si3N4钝化层的薄膜质量;通过调整He和N2的比例,有效地改善了Si3N4钝化层对材料表面所产生的应力和表面粗糙度,明显提高了Si3N4薄膜的击穿电压。通过对Si3N4介质材料进行大量的统计和实验分析,显著提高了生长的均匀性和材料参数的稳定性,使得Si3N4生长厚度偏差小于3%,折射率偏差小于2%,片内均匀性在2%以内。通过优化原子层淀积Al2O3的工艺参数,得到了MOS-HEMT器件所需要的高质量的栅介质;研究并确定了牺牲层的总厚度( >2.5μm)以及牺牲层中PMI胶与电镀层中EMI胶的比例关系和烘烤温度;通过优化空气桥的厚度,电镀速率以及电流密度,确定了最优的电镀方案。最后,通过各步工艺的优化,提出了一种新的高击穿电压和小关态漏电的双场板MOS-HEMT的器件结构。论文研究了不同凹栅刻蚀深度对MOS-HEMT电容以及器件特性的影响,研究发现经过15s,17s和19s的凹栅刻蚀后,分别形成了1nm,3.2nm和3.7nm的凹栅刻蚀深度,其峰值载流子浓度分别为2.61×1025m-3,2.34×1025m-3和1.79×1025m-3,积分得到的载流子面密度分别为1.12×1017m-2,1.08×1017m-2和1.09×1017m-2。通过变频CV计算,得到了常规MOS-HEMT结构的界面陷阱密度Dit=(0.72 -1.25)×1012cm-2eV-1,界面态时常数τit=(0.64-0.19)μs;而1nm深的凹栅MOS的界面态密度Dit=(0.55-1.08)×1012cm-2eV-1,界面态时常数τit=(0.2-1.59)μs;3.23nm深的凹栅MOS的界面态密度Dit=(0.97-1.14)×1012cm-2eV-1,界面态时常数τit=(0.24-0.49)μs;3.7nm深的凹栅MOS的界面态密度Dit=(0.76 -1.2)×1012cm-2eV-1,界面态时常数τit=(0.19-0.94)μs。可以看出经过凹栅刻蚀后,界面态密度没有增加,反而有小幅的下降,对比界面态时常数的变化,可以看出界面态时常数的量级都在微秒,属于快态陷阱,这说明凹栅结构能够减少Al2O3栅介质与势垒层之间的表面态密度,且不会产生新的界面态陷阱类型。对比研究常规MOS-HEMT器件与凹栅MOS-HEMT器件的直流特性,发现凹栅结构的MOS-HEMT器件在减少Al2O3栅介质与势垒层之间界面态密度的同时,还能够有效地提高器件的饱和输出电流密度;其次,本文发现器件阈值电压从-5.15V增加到-4.4V,跨导峰值随着凹栅深度的增加而增加,从160mS/mm增加到189mS/mm。另外,凹栅结构的MOS-HEMT器件能够有效地去除工艺步骤中低能注入到栅极处的F离子,从而改善因F离子漂移造成的器件电学特性的退化,提高了器件的可靠性。在脉冲测试中,发现常规MOS-HEMT的器件的崩塌最为明显,崩塌量达到20%以上,而凹栅结构的MOS-HEMT器件基本上没有发生明显的崩塌现象。最后研究了凹栅刻蚀对器件功率特性的影响,对几种不同凹栅深度的器件进行了功率测试,发现凹栅型MOS器件能够显著提高器件的功率特性。论文提出采用O2等离子体处理的方法来减少凹栅刻蚀带来的损伤,由于在O2等离子体处理过程中形成了原位氧化层,因而有效地减小了HEMT电容的频率耗散和高低频CV曲线的漂移,从而使Al2O3/AlGaN之间形成了很高的界面质量。其次,O2等离子体处理后的凹栅型MOS-HEMT保持了较高的饱和输出电流,同时能够有效改善栅极的关态电流和亚阈值特性,脉冲测试的结果表明O2等离子体处理能够消除因凹栅刻蚀所带来的快态陷阱,改善器件的交流特性,随着凹栅刻蚀深度的增加,氧等离子体处理对凹栅型MOS-HEMT器件电学性能的改善更加明显。此外,氧等离子体处理的凹栅型MOS-HEMT器件还具有良好的频率特性。论文研究并得到了原子层淀积5nm厚Al2O3栅介质的AlGaN/GaN/ Al0.07Ga0.93N(buffer)凹栅型MOS-HEMT器件,缓冲层采用AlGaN的新型凹栅型MOS-HEMT器件的栅长为0.5μm,栅宽为100μm,当栅电压为4V时的最大饱和电流达到894mA/mm;当源漏偏置为10V时,器件的阈值电压为-1.3V,器件的最大跨导达到了223mS/mm。当漏电压从10V变化为30V时,其亚阈值摆幅为650mV/decade,DIBL=42.5mV/V,这说明Al0.07Ga0.93N缓冲层的引入能够很好的抑制漏致势垒降低效应的发生。对于缓冲层采用AlGaN的凹栅型MOS-HEMT器件而言,当漏极电压为160V时,此时的关态电流仅为0.6mA/mm,说明其击穿电压要远大于160V。器件的截止频率达到18GHz以上,其最大振荡频率达到40GHz以上。此外,AlGaN缓冲层结构的凹栅型MOS-HEMT器件还具有良好的功率特性,当漏电压为35V,栅电压接近于截止电压时,器件的饱和功率密度达到7.2W/mm,功率附件效率达到61.4%。对缓冲层采用AlGaN的凹栅型MOS-HEMT器件进行了开态和关态应力的可靠性研究表明,在开态应力下AlGaN/GaN /Al0.07GaN0.93(buffer)凹栅型MOS-HEMT器件的饱和电流,阈值和跨导峰值的退化都比传统GaN缓冲层器件的要小,说明缓冲层采用AlGaN的器件抑制热电子发射效应的作用明显;而在关态应力下AlGaN背势垒结构能够有效地抑制栅极注入电流进入到缓冲层中,因此,对提高器件关态应力下的可靠性也有着积极的作用。论文研究并得到了原子层淀积5nm厚Al2O3栅介质的高性能AlGaN/AlN/GaN凹栅型MOS-HEMT器件,器件的栅长为0.5μm,栅宽为100μm,器件在栅偏置为-5V完全关断,其关断电流小于0.005mA/mm,具有优良的关断性能;当栅压增加到3V时,凹栅型MOS器件的饱和输出电流密度大于1.6A/mm。AlGaN/AlN/GaN凹栅型MOS-HEMT器件具有极佳的交流特性,脉冲测试表明器件在短脉宽情况下(τ<1μs)发生了很小量的电流崩塌效应,崩塌量小于2.5%,此后随着脉冲宽度的增加,器件基本上没有发生电流崩塌效应。通过电流增益|h21|和功率增益U(MSG/MAG)的外推法,分别得到了器件的截止频率fT=19GHz和最大振荡频率fmax=50GHz,fT和f max的比例为2.6,表明器件具有低的寄生效应。对传统的FET小信号模型进行了优化,考虑到栅极漏电,在原有的本征参数中加入两个反馈电阻Rlgs和Rlgd;考虑到高频下电容的分布特性,再加入Cgsi和Cdsi二个参数来描述pad之间,栅源和漏源之间的交叉影响,在此基础上提出了一种全新的21参数AlGaN/AlN/GaN凹栅MOS-HEMT器件的小信号模型,使模型精度有了很大的提高。此外,新型AlGaN/AlN/GaN凹栅型MOS器件还具有极佳的输出功率和功率附加效率,当测试频率为4GHz,漏压Vd=45V的情况下,器件的最大输出功率密度为13W/mm,功率附加效率更是高达73%以上。当漏电压分别为30V,35V,40V和45V时,AlGaN/AlN/GaN凹栅型MOS-HEMT器件的输出功率密度分别达到6.3W/mm,8.3 W/mm,11.2 W/mm,13 W/mm,其输出功率密度随着漏压的增加呈线性增加的趋势,而其功率附加效率则分别到达72.43%,72.64%,72.74%,73.14%,没有出现退化,保持了极高的功率附加效率,这一结果是目前国内外报道的相关器件特性中最高的。