相比于传统的第一代、第二代和第三代半导体,β-Ga2O3作为一种新型的半导体材料,具有4.8-4.9 e V的超宽禁带宽度和8 MV/cm的超高临界击穿场强等优异特性。国际上通常采用巴利伽（Baliga）优值（～εμEb3）来表征材料适合功率电子器件的程度。β-Ga2O3的巴利伽优值是Ga N的4倍,Si C的10倍,Si的3444倍。β-Ga2O3功率器件在与Ga N和Si C器件相同耐压情况下,导通电阻更低,功耗更小,能够极大地降低器件工作时的电能损耗。β-Ga2O3单晶衬底可以通过熔融法实现,在价格成本上具有先天优势。因此,β-Ga2O3功率器件兼备了高击穿、低导通电阻和低成本三重优势,在高压、大功率、高效节能等方面有非常大的应用潜力,可以满足未来电力系统对电力电子器件高耐压与低功耗的需求,被公认为下一代电力电子器件最有力竞争者。β-Ga2O3功率器件在军民应用领域有广泛的应用前景,在军用领域可用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等,可大幅降低武器装备系统损耗,减小热冷系统体积和重量,满足军事应用部件对小型化、轻量化、快速化与抗辐照耐高温的要求;在民用领域可用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域,能够实现更大的节能减排。正是基于上述原因,本文从改善β-Ga2O3表面状态及栅介质/β-Ga2O3的界面态开始,到耗尽型和增强型β-Ga2O3 MOSFET的器件结构设计、工艺制造、测试表征以及性能优化,对基于β-Ga2O3材料的MOSFET器件进行了系统的研究。具体研究成果叙述如下:1.使用ALD设备对β-Ga2O3材料表面进行原位O3表面预处理并进行栅介质Al2O3的淀积。通过XPS测试及电导法对O3预处理前后β-Ga2O3表面及Al2O3/β-Ga2O3界面性质进行了表征:O3预处理前后β-Ga2O3表面Ga:O分别为2:2.78和2:2.91,说明了O3预处理后β-Ga2O3样品表面的缺氧状态明显改善;同时,β-Ga2O3表面亚稳态的Ga-O键大部分转化为稳态的Ga-O键,表明O3预处理对于β-Ga2O3样品表面的成键情况有较为显著的优化和提升;对于Al2O3/β-Ga2O3界面的能带不连续性,稳态Ga-O键增多引起Ga 2p3/2芯能级向高能方向移动,使得O3预处理后的β-Ga2O3与Al2O3界面导带偏移量ΔEC由未处理的1.19 e V增大至处理后的1.33 e V,这对于功率器件的设计和制造是有利的;最后,通过C-V回滞法和电导法提取得到O3预处理前后Al2O3/β-Ga2O3界面的界面陷阱量Qit由7.04×1011 cm-2降低至3.26×1011 cm-2,界面深能级陷阱密度从2.0-3.5×1012 e V-1cm-2降低至0.5-1.0×1012 e V-1cm-2,降低幅度接近一个数量级,这与国际同类指标相比处于领先水平。因此,通过O3预处理β-Ga2O3表面能够改善其表面缺氧状态以及减少与栅介质的界面陷阱电荷密度,为后续功率MOSFET器件性能的优化提供了有效的途径。此外,进行了Si O2/β-(AlxGa1-x)2O3和Hf O2/β-(AlxGa1-x)2O3界面能带不连续性的研究,测试结果表明,当β-(AlxGa1-x)2O3薄膜Al组分从0增大至0.53时,其禁带宽度分别从4.8 e V增大至5.4 e V,同时Si O2/β-(AlxGa1-x)2O3界面的ΔEC分别从1.9 e V增大至2.6 e V,Hf O2/β-(AlxGa1-x)2O3界面的ΔEC从1.1 e V增大至2.0 e V,该趋势符合功率器件的设计预期。2.由β-Ga2O3体衬底材料上通过裂解剥离并将所得的β-Ga2O3纳米膜转移至异质蓝宝石衬底上并进行耗尽型β-Ga2O3 MOSFET的制造与表征:首先通过AFM和拉曼光谱表征说明了β-Ga2O3纳米膜转移至蓝宝石衬底的过程中既没有表面粗糙度的退化,也没有应力的产生;其次对所制造的器件进行了电学特性的表征,器件输出饱和电流、阈值电压、峰值跨导、开关比分别为231.8 m A/mm、-16.5 V、13.8 m S/mm、～108,脉冲测试得到蓝宝石基的β-Ga2O3 MOSFET电流退化百分比为4.16%,且器件上获得了7.41 mΩ·cm2的特征导通电阻以及800 V的击穿电压,对应于直流功率优值PFo M为86.3 MW/cm2,达到了同期国际PFo M值的最高指标;同时,通过Silvaco提取得到沿沟道方向的峰值场强大小为7.06 MV/cm,说明β-Ga2O3纳米膜具有极好的抗击穿能力。3.设计制造并表征了一种基于Hf Zr O2铁电电荷存储栅介质的增强型β-Ga2O3MOSFET:通过ALD生长的Hf Zr O2薄膜经过温度为500 oC,时长为30 s的快速热退火获得了27μC/cm2的极化强度,对应于极化电荷密度为1.69×1014 cm-2;器件的输出电流和导通电阻在初始化前后没有明显退化,且阈值电压漂移达到了4.57 V;在温度分别为室温和150 oC的栅应力测试下,器件的阈值电压在分别在105 s和104 s时达到失效阈值（26.5%和26.2%）,且特征导通电阻分别增加了17.8%和17.1%;击穿测试所得器件击穿电压VBR=670 V,功率优值与同期国际增强型β-Ga2O3 MOSFET器件持平,且达到了Si器件的理论极限值。4.研究了具有场板终端结构的高压耗尽型与增强型β-Ga2O3 MOSFET的电学特性:设计并制造了常规结构、栅、源以及栅源复合场板结构的耗尽型β-Ga2O3MOSFET,三种场板结构分别将器件的击穿电压从985 V提升至1665 V、1620 V、2430 V,沿器件沟道方向上的峰值电场从12.34 MV/cm降低到6.41 MV/cm、5.99MV/cm、4.31 MV/cm,测试所得器件击穿电压达到国际先进水平;设计并制造了叠层铁电电荷存储栅增强型β-Ga2O3 MOSFET,测试所得器件初始化前后,在输出电流和导通电阻特性几乎一致的情况下,阈值电压正漂移幅度达到10.92 V,同时,器件在应力测试中展现了较好的稳定性,在施加了104 s的栅应力后阈值电压最大漂移量仅为2.76%,最后,在特征导通电阻RON,sp为23.84 mΩ·cm2的情况下,结合栅场板结构使器件击穿电压VBR达到了2142 V,计算得到器件的功率优值为192.5 MW/cm2,为国际同期横向增强型β-Ga2O3 MOSFET功率优值的最高指标。