p-GaN栅增强型HEMT(p-GaNE-HEMT)作为高频高效的中低压功率电子器件的一种优选方案,目前得到了国内外学术界和产业界的认可。提高器件的阈值电压、降低其导通电阻率、实现稳定可靠的栅控性能仍是p-GaN E-HEMT的研究重点。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)二次外延技术,可以在图形化的AlGaN/GaN异质结构上(AlGaN势垒层栅区薄、非栅区厚)外延出p-GaN栅结构,有助于实现更高的阈值电压、更低的导通电阻率等优异性能。本文围绕二次外延p-GaN E-HEMT的器件仿真与设计、p-GaN的二次外延生长、器件工艺开发、以及器件性能测试等展开了较为深入、系统的研究,主要内容包括:1.利用Silvaco仿真软件对p-GaNE-HEMT的基本性能、耐压特性以及动态特性进行了仿真分析,从物理机制角度深入地理解器件性能的影响因素及规律。仿真给出了与实际器件结果相当的基本性能;分析了关态下器件电场分布的影响因素及规律:发现源场板的长度、场板介质厚度基本只影响GaN中的水平电场分布,而GaN缓冲层中的缺陷类型与浓度则同时影响水平电场和垂直电场的分布;采用OFF-ON切换、脉冲模式等变换方式,给出了开关过程中电流、能带结构、载流子浓度分布等物理量随时间变化的动态关系。仿真结果与实际器件的规律相同,其深入分析为高性能p-GaN E-HEMT设计与制备奠定了物理基础。2.设计了 p-GaN E-HEMT的结构尺寸、工艺流程以及制造监测结构。理论上推导了特征导通电阻、特征栅电荷以及功耗优值系数与p-GaN E-HEMT的尺寸(如栅-漏间距等)、导体方阻(源漏金属和2DEG)、寄生效应、栅极电荷之间的关系,并结合仿真数据和前期测试数据设计了不同电阻的大输出电流器件。同时确定了二次外延p-GaN E-HEMT的制备流程及工艺过程的监测方法,完成了理论向实践转换的工作。3.深入研究了 MOCVD二次外延生长p-GaN及其对器件性能的影响。二次外延涉及了厚层AlGaN生长、栅区势垒层厚度控制、AlGaN/p-GaN界面态密度控制以及p-GaN外延质量控制等关键科学问题。本文研究了 Al组分及其他生长条件对厚层AlGaN势垒层生长的影响,成功外延出势垒层厚度为45 nm高质量Al0.18Ga0.82N/GaN异质结;研究了 ICP刻蚀工艺参数对AlGaN刻蚀速率的影响,开发出刻蚀速率为12 nm/min的慢速刻蚀技术,将栅极区域AlGaN势垒层厚度精确控制在15±0.8 nm;通过XPS、AFM等手段对表面沾污、刻蚀损伤进行了研究分析,开发了湿法处理和MOCVD热处理结合的表面清洁技术,将p-GaN/AlGaN的界面态密度从传统刻蚀技术的1012～1013 eV-1.cm-2降低至1011～1012 eV-1·cm-2,栅极漏电降低3～4个量级,开关比由107提升至1010以上,栅控性能达到国际一流水平。4.深入研究了高温LPCVDSiNx表面钝化及其对器件性能的影响。通过对不同钝化层进行C-V、I-V测试分析,证实了高温(780℃)生长的LPCVDSiNx具有较高的质量,且能有效抑制AlGaN表面态。但用于p-GaN E-HEMT表面钝化时会带来Mg受主被重新钝化、p-GaN表面刻蚀损失影响接触制备等兼容性问题;通过XPS、I-V等测试对表面刻蚀损伤修复的效果进行分析,发现结合湿法处理和热处理的表面处理技术可有效解决这些兼容性问题。成功制备出了 LPCVD SiNx钝化的二次外延p-GaN E-HEMT,在关态漏极电压为250 V时,其动/静态电阻比值降低至1.5(ALD Al2O3表面钝化的器件为23);阈值电压达到1.7V@IDS=10 μA/mm,导通电阻～8.5Ω·mm,开关比 5×1010,栅极漏电～2 nA/mm@VGD=-200V、～10μA/mm@VGS=+5V,关态耐压达到 715 V@IDS=100μA/mm;综合性能达到国际先进水平。5.深入分析了 p-GaN E-HEMT的栅极可靠性。通过对不同栅金属沉积后退火(PMA)条件的两种结构(Metal/p-GaN/AlGaN/GaN 和 Metal/p-GaN/Metal)进行变温I-V测试,发现在较高的正栅压下,栅极漏电符合Fowler-Nordheim隧穿机制;通过步进式电压法以及监控栅极失效过程中的I-V和C-V,发现栅极金属/p-GaN形成的肖特基结在高电场下,耗尽区内产生较多缺陷而导致净受主浓度(NA)随时间持续降低,最终发生栅极漏电突然上升的失效行为。研究表明,LPCVD SiNx钝化的二次外延p-GaNE-HEMT的栅极耐压达到12 V;失效时间服从Weibull分布,10年内1%的器件发生栅极失效的栅极正向工作电压为6.87V;该可靠性满足行业标准。