电力电子技术的研究对象是电能的输送、转换和控制，电力电子器件是电力电子系统的核心元件。随着电力电子技术的快速发展，硅材料本身的局限性日益凸显，基于硅材料的电力电子器件已经无法满足电力系统在高频化、低损耗和大功率容量等方面的迫切需求。第三代宽禁带半导体材料的典型代表-GaN具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和极强的抗辐射能力等特点，非常适合制备新型电力电子器件。GaN材料还有一个其它宽禁带半导体材料不具备的特征一易于形成AlGaN/GaN异质结构，该结构中的二维电子气面密度约1013 cm-2，迁移率高于1500cm2V-1s-1，基于该结构的电力开关器件具有击穿电压高、特征通态电阻低、开关速度快等特点，在军事和民用领域都有广阔的应用前景。　　 用于电能转换和控制技术的高压开关AlGaN/GaN HEMT是当前国际上的研究热点，本论文以研究新型、低损耗、高性能电力电子器件为出发点，紧紧围绕与高压开关AlGaN/GaN HEMT密切相关的材料生长、器件参数模拟、版图设计、器件工艺制备、器件性能测试分析及AlGaN/GaN HEMT结构材料的中子辐照效应等问题展开研究工作，取得了如下成果：　　 一.设计生长了AlN/GaN超晶格势垒层HEMT结构材料　　 生长高Al组分AlGaN/GaN HEMT结构材料是制备高性能高压开关器件的基础。针对传统结构高Al组分AlGaN/GaN HEMT结构材料势垒层晶体质量差、二维电子气迁移率低等难点问题，本论文以AlN/GaN超晶格为等效的AlGaN势垒层，设计了带有超晶格势垒层的HEMT结构，在蓝宝石衬底上生长了该结构：　　 1)XRD测试显示该结构中势垒层平均Al组分达38％以上，晶体质量良好，异质结界面光滑、平整。　　 2)AFM测试结果显示样品表面有明显的原子生长台阶，扫描面积为5×5μm2时，表面粗糙度(RMS)约0.16nm，材料表面形貌优于具有相同Al组分的传统结构材料。　　 3)2英寸样品的平均方块电阻为287Ω/□，不均匀性达0.82％；样品的室温Hall迁移率达1852 cm2V-1s-1，面密度约1.2×1013cm-2。　　 4)自洽计算和高频C-V测试的结果都说明，势垒层对二维电子气的限制作用有明显的增强，且没有附加导电沟道形成。　　 二.高压开关AlGaN/GaN HEMT的研制　　 1)用ATLAS软件模拟了器件几何参数与高压开关AlGaN/GaN HEMT的通态直流特性、转移特性和击穿特性之间的关系。模拟结果显示：增大栅、漏间距(Lgd)、减小栅下方介质层厚度(t)、增大场板长度(LFP)都有利于提高器件的击穿电压。以模拟结果为依据，考虑实际的工艺条件，设计了器件版图和制备工艺流程。　　 2)器件测试结果表明：在无场板器件中，增大栅、漏间距(Lgd)会减小器件的峰值电流；当Lgd从5μm增大到27μm的过程中，器件阈值电压变化很小，最大跨导(gmax)变化范围介于130mS～140mS之间；器件的特征通态电阻随Lgd的增大线性增长；当Lgd＜15μm时，器件击穿电压与Lgd成正比，Lgd超过15μm后，器件击穿电压的增大趋势不再明显。场板的加入明显降低了器件的峰值电流；在给定Lgd的情况下，LFP的变化对峰值电流的影响很小，所以器件的特征通态电阻与LFP无关，而击穿电压与LFP近似成正比。得到器件的最大电流密度约535mA/mm(Vgs=0V)，最大跨导(gmax)约144mS(Vds=5V)。　　 3)研制出了国内首个击穿电压大于700V的高压开关AlGaN/GaN HEMT。Vgs=-6V时，在空气中测试时，器件的最高击穿电压达740V以上，该研究结果与国际先进水平非常接近，对继续深入进行该方向的研究工作，很有参考价值。　　 三.AlGaN/GaN HEMT结构材料的中子辐照效应研究　　 由于GaN材料的抗辐射能力很强，相对于Si器件和GaAs器件，基于GaN材料的各类器件具有在强辐射环境中工作的优势，在此类环境中，辐照诱生缺陷将成为影响器件可靠性的主要因素。本论文在国内首次研究了AlGaN/GaN HEMT结构材料的中子辐照效应，这一部分工作主要包括三方面：　　 1)研究了不同注量中子对AlGaN/GaN HEMT结构中二维电子气的影响，发现中子辐照产生的带电中心和局域态主要影响二维电子气的迁移率，对浓度的影响较小；在高温下退火后，辐照诱生的GeGa被激活，二维电子气浓度上升，辐照产生的位移缺陷部分恢复，迁移率略有回升，材料品质因子也在一定程度上有所增大。　　 2)研究了中子辐照对高阻GaN样品中深能级的影响，用热激电流和光致发光测试方法研究了中子辐照前后样品中深能级的变化情况。热激电流测试说明在辐照前后，GaN材料中的深能级位置发生了变化，在我们所用的注量范围内，浅能级受影响更大。低温PL测试表明，辐照后黄光带消失，而900℃退火之后蓝光带也消失，这说明中子辐照使产生黄光带的缺陷发生了结构性变化，而且这种变化不能通过高温退火恢复，蓝光带的消失是由于退火后在材料中形成了非辐射复合中心。　　 3)研究了中子辐照对GaN材料中持续光电导现象的影响。在辐照前后，GaN样品中都观察到了明显的持续光电导现象，而且在辐照后的样品中，由于辐照诱生缺陷的影响，持续光电导现象被增强，但是，低温PL测试中始终没有观察到黄光带，实验现象说明在GaN材料中，形成持续光电导现象的缺陷中心与PL谱中黄光带的产生没有必然联系。