随着科技水平的提高和经济结构的转型,以电动汽车、数据中心、高速铁路、通讯基站为代表的新兴领域蓬勃发展,这对能源需求及能源结构提出了更高要求。更大容量、更高效率、更加清洁的能源技术离不开电力电子技术及其核心功率器件的支撑。经历多年材料与结构的技术更迭,功率器件的性能不断提升。宽禁带半导体氮化镓（GaN）凭借其优异的材料特性,可实现高击穿电压、低导通电阻、低开关损耗等优异特性的器件,突破传统硅（Si）器件的理论性能极限。相较于基于非本征衬底的平面型GaN器件,基于单晶GaN衬底的垂直型GaN器件（即GaN-on-GaN器件）有望更大程度发挥GaN半导体的材料优势,实现高压、高效、快速的器件特性,因而受到广泛的关注并成为功率器件的重要发展方向。然而,作为新兴的技术,垂直型GaN-on-GaN器件相关研究尚处于起步阶段,仍然存在着材料、结构、工艺、理论等诸多挑战。本论文对垂直型GaN-on-GaN功率二极管开展了理论研究和实验探索,通过结构设计与工艺研发制备了4种高性能GaN-on-GaN肖特基二极管（SBD）与Pi N二极管（PND）,并对器件核心机理进行研究。主要工作内容和创新点如下:（1）通过新型终端及界面工艺实现高击穿电压、低导通电阻、低开启电压的垂直型GaN-on-GaN单极型二极管。终端区方面,提出了适用于GaN的新型终端结构,通过氮等离子体处理终端（NT）技术降低器件阻断漏电流超过4个数量级,研发了氟离子注入终端（FIT）并将击穿电压提升近2倍,并通过物理、电学、仿真等方法验证终端机制。有源区方面,通过工艺优化实现了接近理想的肖特基界面,在导通和阻断特性上均接近理论特性,通过多种模型准确提取肖特基界面特性。进一步地,利用GaN器件独特的隧穿增强层结构进行界面改造并实现隧穿二极管（TD）,在提升反向阻断电压的同时降低正向开启电压。基于以上技术,并结合全工艺流程设计与开发,研制出3种GaN-on-GaN单极型二极管:（1）击穿电压995 V、比导通电阻1.20 mΩ·cm2的NT-SBD;（2）击穿电压800 V、比导通电阻1.08 mΩ·cm2的FIT-SBD,开启电压低至0.55 V（定义于0.1 A/cm2）;（3）击穿电压达1020 V的FIT-TD,开启电压低至0.43 V（定义于0.1 A/cm2）,进一步降低的开启电压有利于降低导通损耗。（2）制备高性能垂直型GaN PND并揭示动态等级的电导调制实验证据及其影响,同时实现导通时电导调制和关断时零反向恢复的特性。基于氮离子注入终端（NIT）、高质量金属/半导体接触等关键工艺开发优化,制备高性能垂直型GaN PND器件。NIT-PND击穿电压超过1.8 k V,电流密度超过10 k A/cm2。对垂直型GaN PND中的双极型载流子输运进行研究。讨论了动态等级的垂直型GaN PND电导调制的实验证据。通过直接带隙GaN独特的光电耦合效应,在双极型器件中同时实现了正向电导调制和零反向恢复（损耗）的优异性能。研究了电导调制对动态电阻、浪涌电流等特性的影响。（3）在快速动态测试电路中表征垂直型GaN二极管的动态特性,验证了垂直型GaN器件无动态电阻退化的优异特性。对垂直型GaN二极管进行了动态特性研究,通过自主研发的测试电路,对瞬态导通特性、反向恢复特性、动态电阻特性和浪涌电流特性进行表征,研究了垂直型GaN器件的瞬态导通特性,表征了垂直型GaN器件的浪涌电流特性,在快速动态电路中验证了垂直型GaN器件的无动态电阻退化特性,优于目前仍普遍存在电流坍塌的商用平面型GaN-on-Si器件。通过一系列系统的电路级测试,验证了垂直型GaN-on-GaN器件优异的动态特性,展现了在高频、大功率电力电子应用的巨大潜力。本论文以4种自主研发的器件（NT-SBD、FIT-SBD、FIT-TD、NIT-PND）为对象,研究了高压、高效、快速的垂直型GaN功率二极管的关键技术:阻断特性上,设计并实现了新型终端结构,通过界面工艺改造有源区,并揭示其机理;导通特性上,单极型通过隧穿增强层降低导通损耗,双极型通过光电耦合的电导调制增大导通能力、降低导通损耗;动态特性上,双极型器件凭借极短的少子寿命表现出与单极型相近的快速反向恢复能力,凭借垂直结构与同质外延可实现无电流坍塌的特性。本工作展现了垂直型GaN-on-GaN器件的巨大潜力。本工作及后续研究,将有助于加深对垂直型GaN-on-GaN器件的理解,对推动其进一步实现高压、高效、快速的器件特性并开始逐步推广应用具有一定的意义。