氮化镓材料相对于传统半导体材料具有高击穿场强、高电子迁移率和饱和速度,高温和辐照下高可靠性等显著优势,在电力电子和射频微波电子器件领域展示出巨大的潜力。然而,在常规的横向结构电子器件中,电流崩塌和自热效应等是制约着器件发展的重要问题。在此背景下,纵向结构GaN电力电子器件成为了突破障碍的新方向,其具有功率密度高,可靠性高,热分布均匀等优点。而基于异质衬底的准垂直结构电子器件由于衬底成本低,兼具性能和价格优势,更易进行商业化推广。在此之中,肖特基二极管作为一种基本的双端器件,具有开启电压低、开关频率高等优点,在整流、检波、限幅等领域具有重要的应用。基于以上的研究背景,本文在国家科技重大专项的支持下,围绕准垂直结构GaN肖特基二极管在工艺研发、结构优化、输运机理以及可靠性等一系列关键问题展开了研究。取得的主要成果如下:1.本文首先开发出一套针对于准垂直结构的关键制备工艺,包括深槽GaN刻蚀、重掺杂n+-GaN欧姆接触等;在外延结构上,本文首次用图形化蓝宝石衬底外延材料制备准垂直功率器件,相对于平片衬底的位错密度降低约1个数量级左右,以达到抑制器件反向漏电流的目的;在器件结构上,提出采用欧姆跨越台面的器件结构来提高正向电流的方法;在版图设计上,采用圆形器件和指形器件的电学性能对比,并结合正向偏置下的电流密度分布进行仿真分析,发现由于指型器件更大的周长/面积比,因此具有更低的比导通电阻。另外,本文对圆形结构器件的阳极和台面尺寸结构进行了优化,得到了最优的版图设计结构,为后续高性能器件制备奠定实验基础。2.根据肖特基势垒高度与金属功函数的关系,本文用低功函数的钨金属作为肖特基接触阳极,制备出开启电压仅为0.39 V的GaN SBD,达到了与硅基器件相同的水平。钨金属阳极器件相对于常规的镍金属阳极器件,在开启电压降低0.21 V的情况下,漏电流仅提高一个数量级,综合特性显著提升。针对于漏电流与开启电压变化值不对应的问题,本文通过对两种器件的反向IV特性曲线对比,基于理论计算和模型拟合,证明了在低的反向偏压下,漏电流以热电子发射电流为主;但随着偏压增大,逐渐向与位错相关的Variable Range Hopping漏电机理转变,从而导致两种器件漏电流差距的缩小。针对器件势垒高度和理想因子随温度的变化规律,本文引入肖特基势垒高度分布不均性模型,发现W-SBD相对于Ni-SBD具有略高的势垒高度不均匀性程度,并将势垒高度不均匀因素引入热电子发射模型,使修正后的器件有效里查德森常数与理论值达到一致。这些理论研究为后续高性能器件制备提供了方向指引。3.基于前文漏电流机理的归纳总结,研究了氧等离子体表面处理对降低准垂直GaN肖特基二极管反向泄漏电流的作用。研究发现了随着氧等离子体处理功率的增加,器件反向漏电流的抑制作用更加明显,并且器件在高温下的漏电流稳定性得到提高,但同样会引起开启电压的抬升。在此基础上,本文采用氧Plasma终端技术,在1.3μm的n--GaN漂移层厚度下,制备了开启电压0.71 V,击穿电压190 V,导通电阻0.2mΩ×cm2的准垂直GaN SBD,相关指标达到国际同期报道器件最高水平;器件的平均击穿电场强度为1.48 MV/cm,为目前报道的击穿场强最高的GaN肖特基二极管。通过X射线光电子能谱以及开尔文探针力显微镜扫描,并借助于TCAD仿真验证,表明氧Plasma处理引起了GaN表面能带的偏移,从而抑制了器件的漏电。4.最后,本文对准垂直GaN SBD在电应力和伽马辐照下的可靠性进行了研究。通过采用脉冲测试和应力测试,证明准垂直GaN SBD几乎不存在电流崩塌的问题。在长时间高压开态应力作用下,器件的动态电阻的衰退趋势与应力电压和应力时间有关:在低于4 V的应力下,导通电阻的衰退量随应力电压和应力时间的增加逐渐增加,而在高于4.5 V的应力下,导通电阻的衰退量得到缓解,并对两种变化趋势展开了分析。在辐照可靠性应力方面,实验证明了器件在3 Mrad的伽马辐照下仍能够正常工作,且在一定辐照剂量后,器件的开关比和反向漏电流等得到改善,通过材料的高分辨X射线衍射、阴极荧光光谱分析以及器件的变温电学特性测试发现,辐照后器件特性提升与受主缺陷密度的降低以及表面势垒不均匀性程度减弱有关。