电力电子器件（又称功率半导体器件）是电力电子技术的基础和核心。随着Si基功率器件已经接近其理论极限,其提升速度已经不能满足当前电力电子技术对电力系统更大功率、更低损耗和更高频率的需求。GaN材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高压等特点,是制备新一代高性能电力电子器件的优选材料。但受其外延材料质量和器件工艺水平的影响,GaN基高耐压器件的产业化进程面临诸多科学技术问题。其中尤为突出的是如何采用CMOS工艺兼容的离子注入技术实现p型掺杂。由于缺乏有效手段修复晶格损伤和提高Mg元素激活率,目前GaN离子注入p型掺杂技术效果仍不理想,导致多种成熟的终端技术难以被有效地应用到GaN功率器件的结构设计中。本文的主要工作围绕GaN材料中Mg离子注入受主的激活优化及器件应用展开,主要成果如下:1.对GaN材料中Mg离子注入及受主激活方法进行了详细的实验研究与分析讨论,得到一种优化的基于常规退火工艺的受主激活方法,成功实现了GaN的p型掺杂。通过对比离子注入过程中有无保护层应用、不同温度条件下注入、不同退火激活温度、不同覆盖层保护的样品的修复和激活效果,分析在离子注入过程中Al N覆盖层和退火激活过程中SiO2覆盖层的作用。综合各种实验结果,本工作中得到的优化注入和激活条件为:分别在离子注入和高温退火激活过程中选择Al N和SiO2作为覆盖层,退火温度为1230℃,时长30分钟,气体氛围保持氮气氛围。Al N保护层有效抑制了离子注入过程中高能粒子轰击导致的非晶化问题。高温退火后的XRD摇摆曲线和未掺杂GaN相比无明显展宽,说明高温条件有效修复了离子注入导致的晶格损伤。XPS结果中,费米能级向价带顶靠近验证了p型掺杂的有效激活。热探针测试显示Seeback系数为正值,表明通过高温激活实现了GaN的p型导电转型。2.为进一步验证p型导电特征,我们利用离子注入进行GaN基p-i-n结构器件制备、表征及作为可见光盲紫外探测器应用的研究。该p-i-n二极管具有出色的整流特性,正向开启电压为3 V,和GaN材料的禁带宽度接近。EBIC测量和电致发光的结果充分证明通过优化的Mg离子注入及退火激活工艺可以形成全台面均匀掺杂的p型GaN。随后的光响应特性在365 nm处表现出陡峭的截止边,抑制比达到104,光响应度为0.35 A/W,显示出该p-i-n结构器件具有良好的紫外探测性能。该探测器的很多性能都可与商业化的GaN pn光电探测器相媲美。同时,在光电二极管中观察到内部增益机制,并证明其与漂移层内的局部态有关。考虑到光响应与反向偏压的相关性和瞬态响应特性,本工作用光生载流子场辅助跳跃的物理模型进行解释。该工作对高性能GaN电力电子器件及光电器件的研制具有重要研究意义。3.为进一步优化晶格修复与离子激活效果,本章工作研究了脉冲激光退火对Mg离子注入GaN材料的结构和光学性能修复的作用并提出了一种集成工艺的退火激活方案。结果表明,在脉冲激光退火过程中,Mg离子注入的GaN具有明显的结构及光学性能恢复和部分应力释放,由注入引起的缺陷、晶格无序和畸变可以部分被消除。透射结果说明可通过更高的激光能量密度或更多的脉冲次数来减少晶格紊乱并提高光学修复性能。拉曼和XRD结果也证实了可以通过增加激光辐照强度提高晶体质量。激光退火后在3.35 e V处增强的施主-受主跃迁信号说明部分Mg从间隙掺杂转化为替位式掺杂从而形成有效的受主激活。通过对常规退火和激光退火的样品的TEM测试,进一步分析了各种激活方法对Mg离子注入GaN材料的影响,并基于此提出了一种将常规退火和激光退火两种工艺集成的退火激活方案。