氮化镓基电力电子器件在电力电子领域具有很大的应用潜力,其击穿电压的相关研究至关重要。目前GaN基电力电子器件的击穿电压距离其理论极限还有很大的距离,这就意味着其击穿特性还有很大的提升空间。为了充分提高GaN基电力电子器件的击穿特性,就需要对其击穿机理进行研究。本论文就是在此背景下对GaN基电力电子器件的击穿机理展开了广泛而深入的研究。本文的第二章对GaN基HEMT在工艺和仿真中存在的问题和需要注意的细节进行了讨论,然后讨论了测试中最大输出电流IDmax,阈值电压Vth,栅漏电Igleak,击穿电压VBR和特征导通电阻RON五个基本参数的判定标准。最后总结了三种击穿机制:局部高电场导致的雪崩击穿、泄漏电流与温度导致的热失控和栅漏间的空气击穿。这些基础问题的讨论,可以使得GaN基电力电子器件击穿机理的研究更加顺利。在第三章中,给出了与肖特基漏HEMT击穿特性相关的三个方面研究内容。首先,采用肖特基漏结构同时提高了AlGaN/GaN HEMT的正偏和反偏阻断电压,并且对两种阻断电压提高的机理进行了研究。通过采用肖特基漏,正偏和反偏阻断电压分别从72 V和-5 V提高到了149 V和-49 V,即肖特基漏可以同时提高这两个击穿电压。为了研究提高击穿电压的物理机理,对泄漏电流分量进行了分析,并用仿真进行了解释说明。其次,提出肖特基漏与漏场板相结合,可以提高反偏阻断电压的思想。漏场板可以缓解漏电极附近的电场峰值,通过采用漏场板反偏阻断电压从-67 V提高到-653 V。仿真结果表明,肖特基漏与漏场板相结合可以有效地提高器件的反偏阻断能力。最后,研究了漏场板对正偏阻断电压产生的影响。为了防止漏场板对正偏阻断电压产生负面影响,栅边缘和漏场板边缘的间距必须要大于某个特定值,该值要保证漏场板不会挤压正漏压产生的电势。作者在第四章中提出了一组耗尽电容模型,来解释AlGaN/GaN HEMT中高k钝化层提高击穿电压的机理。对于带有钝化层的HEMT,栅金属的侧壁和顶端会与GaN基异质结材料形成金属/绝缘体/半导体结构(MIS结构),这是高k钝化层调制电场的真正原因。基于提出的耗尽电容模型,第一次发现栅金属高度和场板厚度可以影响电场分布和击穿电压。较厚的栅金属可以提高器件的击穿电压,较厚的场板可以缓解场板处的电场峰值,也可以进一步改善器件的击穿特性。此外,结合提出的耗尽电容模型和高k钝化层强大的电场调制能力,作者设计了高特性AlGaN/GaN HEMT器件。设计的栅漏间距为7μm的HEMT,击穿电压为1310 V,功率品质因数高达3.67×109V2·?-1·cm-2,这一数值是所有GaN基HEMT的最高值。本文实现了三种高性能GaN基电力电子器件,即高压AlGaN沟道HEMT器件、增强型InAlN/GaN MISHEMT器件和高压环形AlGaN/GaN HEMT器件。对于栅漏间距为3μm的AlGa N沟道HEMT,击穿电压从144 V提高到了320 V。此外,国际上首次通过采用变频CV的方法对AlGaN沟道HEMT的陷阱态进行了表征,研究发现AlGa N沟道HEMT中的陷阱比Ga N沟道HEMT要深大约0.04 eV。采用栅介质与条件合理的F处理相结合的方法,同时提高了InAlN/GaN HEMT的阈值电压和击穿电压。通过F处理,阈值电压从-7.6 V正漂到了1.8 V。带负电荷的F离子调制导带,有效地降低了栅漏电和缓冲层漏电。栅漏间距为3μm,降低的缓冲层漏电将器件的击穿电压从80 V提高到了183 V。实验表明,栅介质与条件合理的F处理相结合可以同时提高阈值电压和击穿电压,是实现高压增强型InAlN/GaN HEMT的有效方法。栅漏间距为18.8μm的环形AlGaN/GaN HEMT,其击穿电压高达1812V。相对于常规长条形HEMT,通过采用环形结构,栅漏间平均击穿电场强度从0.42 MV/cm增加到了0.96 MV/cm。常规的场板是在二维空间对电场强度进行调制,从而提高击穿电压。作者制造的环形器件则是从第三个维度对电场强度进行了调制,使得器件的击穿特性有了很大的提升。这部分内容在第五章中重点介绍。在第六章中指出了常规三端击穿表征方法的局限性,并针对其在应用中出现的问题提出了一种改进的方法。对于常规击穿,作者总结了七种击穿曲线,但是发现常规击穿表征方法只能适用于其中的两种。对于其他的五种击穿曲线,一定漏压范围内,栅漏电的数值比漏电流的数值要大。此外,源电流也不能用来表征缓冲层漏电,它们的数值和符号是不一致的。出现这些问题的原因,是常规击穿表征方法在表征击穿特性时将栅源电流忽略掉了。这些问题表明,为了能够准确地表征器件的击穿机理,常规表征方法必须进行相应的改进。此外,关态应力击穿也出现了类似的问题。作者通过一种简单的方法,将缓冲层漏电和漏栅电流提取了出来,常规击穿表征方法也基于这两个泄漏电流进行了改进。通过采用改进的方法,常规击穿表征方法在应用中出现的问题得到了解决。实验与分析表明,改进的击穿表征方法对GaN基HEMT击穿机理的研究非常重要。