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硅（Si）衬底氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）具有高耐压、高功率密度、高频率、高效率、耐高温、小型化、低成本等特点,在消费电子、数据中心、服务器电源、基站开关电源、光伏逆变器、混合动力汽车等领域有广泛的应用价值。增强型p-GaN/AlGaN/GaN HEMT由于栅极稳定性高,备受学术界和产业界的关注。氢（H）等离子体处理p-GaN技术实现增强型GaN HEMT制备近几年被引用报道、推广应用,在器件的击穿电压、阈值电压、栅摆幅、电流崩塌、可靠性等方面取得了突破。本论文针对H等离子处理p-GaN栅的增强型HEMT高频开关器件的研制与应用展开研究,解决从材料外延、器件到封装应用存在的一些关键技术性问题。研究开发了 Si衬底GaN成核层与缓冲层生长工艺,乙烯（C2H4）故意掺杂C高阻GaN材料生长。开发整合了晶圆级增强型器件制备的关键工艺和工艺流程,并深入分析了器件表面漏电问题,提出了工艺解决方案。此外,还开发了 GaN HEMT器件的高频应用的封装工艺和验证电路。通过对相关技术问题的系统性分析与研究,为增强型GaN HEMT后期的产品研发、工程性应用奠定了基础。具体研究内容如下:1.Si（111）衬底AlGaN/GaN HEMT材料生长研究Si衬底具有大尺寸、成本低、与传统Si器件工艺兼容性高的优势,是GaN材料异质外延的首选,但是由于二者之间热失配和晶格失配等会引起外延薄膜开裂等问题。基于金属有机化合物化学气相沉淀（Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD）设备开展了 Si衬底GaN HEMT器件材料外延生长研究,通过优化温度提高了 AlN成核层的质量,采用Al组份梯度渐变的多层AlGaN应力释放结构控制外延片翘曲并抑制位错延伸。实现了六英寸Si衬底高质量AlGaN/GaN HEMT材料生长,其中二维电子气面密度ns为9.3×1012/cm2,迁移率μn达到了 2150 cm2/V·s,方块电阻Rsq是312 Ω/□。2.AlGaN/GaN HEMT器件的高阻GaN材料外延研究高阻GaN缓冲层是GaN HEMT器件的击穿电压关键影响因素之一,C掺杂实现GaN高阻被广泛应用于HEMT材料外延中,但非故意掺杂C实现高阻是以牺牲GaN晶体质量为代价。实验中采用乙烯作为故意C掺杂源实现了高晶体质量的高阻GaN材料外延生长,通过调整温度、压力、Ⅴ/Ⅲ 比等关键参量,发现Ⅴ/Ⅲ比变化对GaN的C掺杂影响显著。当3.5 μm GaN薄膜C掺杂浓度为1×1019 cm-3时,此高阻GaN晶体质量与非掺杂样品相当,且击穿电压从300 V提升至2200 V@Id=10μA。3.H等离子处理p-GaN增强型HEMT高频开关器件制备工艺研究采用H等离子体处理p-GaN技术,实现增强型的p-GaN栅HEMT高频开关器件制备,阈值电压达到了 2 V,并整合了整体工艺流程。研究了 H等离子体工艺对短栅长器件性能的影响,采用H扩散余量设计可以使不同栅长的器件保持良好的阈值电压一致性。基于步进式光刻和双层胶剥离开发了晶圆级亚微米短栅长的栅极金属工艺,为批量化规模制造提供了技术方案。通过慢速刻蚀技术、Si离子注入结合无金源、漏电极等工艺,欧姆接触电阻达到了 0.36 Ω·mm。4.AlGaN/GaN HEMT开关器件的漏电问题分析与研究针对AlGaN/GaN HEMT器件的漏电问题,进行了多种表面钝化工艺研究。采用SiNx/SiON复合栅介质不仅可以抑制栅极漏电流,对于阈值电压稳定性也有积极作用,研究表明此复合介质具有较低的界面态。通过对HRCL-HEMT器件表面沉积钝化介质层后漏电增大问题研究表明,漏电方式为表面横向漏电,漏电机理是二维变程跳跃模型。采用A12O3与SiNx复合介质层工艺器件的关态击穿电压提高到了 780 V,电流崩塌效应也得到了缓解,且PEALD与PECVD工艺都适合于规模化应用。5.GaN HEMT贴片式封装工艺开发与应用电路针对GaN HEMT应用的高频化、小型化等需求,采用PCB电路板植入锡（Sn）球、回流焊工艺开发了无引脚的倒装贴片封装工艺开发。经过切割、固晶、引线、塑封等流程实现了晶圆级GaNHEMT功率器件的DFN封装。通过设计、搭建了直流-直流（DC-DC）和交流-直流（AC-DC）的GaN HEMT开关器件应用电路,验证了实验制备的增强型p-GaN/AlGaN/GaN HEMT功率开关器件的高频特性。在220 V AC至5 VDC电路中测试HEMT器件的工作频率可达3.8 MHz,指出热效应是器件长时间工作性能退化的主要影响因素之一。