化合物半导体材料GaN具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、化学性质稳定等特点,是制备下一代功率半导体器件的理想材料之一。由于AlGaN/GaN异质界面处非掺杂形成的二维电子气(Two-dimensional Electron Gas,2DEG)具有高浓度、高迁移率的特点,因此该异质结成为GaN功率半导体器件的一种基本结构。硅基GaN(GaN-on-Si)技术是目前GaN功率器件的主流技术,具有材料成本低、硅基CMOS工艺兼容的双重优势。GaN功率二极管作为一类重要的功率半导体器件,有望在硅基GaN技术平台的基础上取得新的突破。本文以硅基AlGaN/GaN肖特基二极管和恒流二极管作为研究对象,同时探索两者的单片集成。针对传统AlGaN/GaN肖特基二极管的开启电压相对较高(大于1 V)、击穿电压相对较低(小于1 kV)的问题,本文对其器件结构和刻蚀工艺进行研究;另一方面,GaN恒流二极管迄今尚未见报道,本文对此器件进行研究。主要研究内容与成果如下:(1)提出GaN低温感应耦合等离子体刻蚀技术,显著抑制横向刻蚀。该技术基于低温下电子束光刻胶抗刻蚀能力的提升,从而使横向刻蚀速率大大降低,显著抑制了常温下的横向刻蚀。横向刻蚀宽度从常温下的80 nm降低到5 ~oC下的5 nm。结合电子束光刻技术,厚度仅为200 nm的电子束光刻胶可直接用作刻蚀掩模。通过单步刻蚀,成功实现了高质量的GaN渐变纳米凹槽结构,为后续的器件制备奠定基础。(2)提出新型渐变纳米凹槽阳极AlGaN/GaN肖特基二极管,基于开发的低温刻蚀技术,成功研制出高性能器件。导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscopy,C-AFM)测试结果发现,渐变纳米凹槽区域的电子浓度呈横向渐变分布。在正向偏置下,渐变纳米凹槽阳极结构能够使阳极电流分布更加均匀;与此同时,在反向偏置下,渐变纳米凹槽阳极结构能够降低阳极区域的表面峰值电场。相比传统的单凹槽阳极AlGaN/GaN肖特基二极管,该器件的大电流导通能力和反向耐压分别提升了10%和50%。最终制得的二极管的开启电压为0.61 V,导通电阻为7.8Ω?mm,最大击穿电压为1317 V。脉冲测试结果显示,在没有表面钝化的情况下,渐变纳米凹槽阳极结构能够缓和AlGaN/GaN肖特基二极管的电流崩塌。(3)开创性研究了AlGaN/GaN恒流二极管。在设计混合阴极结构、揭示器件恒流机理、提出器件串联电阻模型的基础上,研制出性能优于硅基同类产品的新型AlGaN/GaN恒流二极管。该器件最大正向工作电压超过400 V,电流温度系数低至-0.3%/~oC,动态响应时间小于100 ns。(4)提出AlGaN/GaN反向阻断恒流二极管,扩展了恒流二极管类型。该器件基于上述AlGaN/GaN肖特基二极管与恒流二极管的单片集成,不仅具有传统恒流二极管的正向恒流特性,还具有反向阻断能力,有望开辟恒流二极管新的应用领域。