近年来，随着硅基功率晶体管接近性能极限，以宽禁带氮化镓为代表的第三代半导体材料由于其高电子迁移率、高临界击穿场强和高热导系数等物理特性而在高功率器件应用中展现出巨大的潜力。然而，目前的氮化镓器件中仍然存在一些限制因素亟待解决。首先，不同于硅表面存在高质量本征氧化物，铝镓氮/氮化镓异质结外延生长以及器件制备工艺过程中会引入大量的陷阱态，导致器件性能严重退化。其次，传统的肖特基栅漏电大，极大地限制了器件的工作电压范围。第三，由于自发极化和压电极化产生的高密度二维电子气使器件处于常开状态，需要施加额外的负栅极电压将其关断，导致氮化镓器件在电路中应用时其驱动模块设计复杂化。第四，在高关态应力下，介质击穿以及电流坍塌等现象降低了器件的可靠性。为解决以上问题，本工作主要做了以下几个方面的研究：
　　(1)采用凹槽栅结构实现增强型氮化镓功率器件。优化凹槽栅沟道干法刻蚀工艺，采用低速率的原子层循环刻蚀降低界面损伤，通过控制铝镓氮势垒层的厚度减小极化电荷密度，从而使阈值电压正移实现增强型。结合原子层沉积的高介电常数栅介质形成金属-氧化物-半导体结构，有效抑制栅极漏电并钝化沟道界面。所制备的器件同时具有优良的转移输出特性、低界面态密度、高击穿电压、大面积均匀性以及变温稳定性。
　　(2)表征氮化镓器件的动态特性并分析场板的优化机理。分析氮化镓器件电流坍塌现象的产生机理，针对性地采用表面钝化层和场板结构抑制电场作用下的陷阱捕获效应以提高器件的可靠性。通过对比器件的动态特性测试结果证明场板对于氮化镓器件可靠性的改善作用，并采用横向电场分布仿真分析其优化原理。进一步对比同等测试条件下耗尽型与增强型器件的性能差异，并提出相应的理论解释。最后，通过对具有场板结构氮化镓器件的关态击穿特性进行表征，证明其高耐压优势。
　　(3)表征并分析氮化镓器件的1/f低频噪声。分析电路中噪声的分类及起源，分别对氮化镓器件在线性区及饱和区的低频噪声特性进行表征，研究耗尽型与增强型器件的1/f噪声参数模型以及在不同电场下噪声机理的演变。并改变测试温度研究高温对于器件低频噪声的影响。表征采用石墨烯悬浮场板器件的1/f低频噪声，通过测试结果对比证明其对于氮化镓器件噪声特性的优化作用。
　　本工作采用原子层刻蚀并结合原子层沉积工艺成功实现了高性能凹槽栅增强型氮化镓器件，对器件的电学输运特性及可靠性进行了系统地表征，证明了其在功率器件应用领域的潜力。详细对比了耗尽型与增强型器件的性能差异，并分析其物理机理，对进一步优化器件性能具有重要意义。