随着科技的不断发展,电源开关、智能手机、电动汽车、再生能源发电等新型科技产品对功率半导体器件提出了新的要求,随着全球能源问题的严重化,人们希望用各种方式来节约能源,这就对功率器件性能的要求越来越高,以致于传统的Si基功率器件已经无法满足人们的需求,以高性能著称的第三代半导体GaN和SiC进入人们的视野。相比于Si和SiC,GaN具有宽禁带(3.43 eV)、高电子迁移率(1245 cm2/V·s)、高电子饱和速率(2.5 × 107 cm/s)等特点,理论上可以实现更高的击穿电压和更低的导通电阻,更适合制造功率器件。从器件结构上看,相比于水平结构的二极管,垂直结构的二极管具有器件尺寸小的特点,且能够很大程度缓解电流阻塞效应,更利于实现高击穿电压、低导通电阻和高度集成化的效果。此外,相比于异质外延,同质外延的GaN具有更低的位错密度及界面应力,从而实现更高的晶体质量。近年来随着GaN生长技术的发展,在市场上已经可以实现位错密度在1 06 cm-2的高质量GaN单晶衬底,这为发展垂直型自支撑GaN基肖特基二极管提供了结实的材料基础。目前,肖特基二极管正向着高击穿电压、高开关比、低导通电阻的方向发展。高的击穿电压可以保证高电压下器件的稳定性;高的开关比可以保证器件能够实现更好的开关作用;低的导通电阻可以实现低的开启损耗。在本论文中,我们首先通过TCAD(Technology Computer Aided Design)技术设计并模拟了垂直结构GaN基肖特基二极管器件性能。之后,利用紫外光刻技术、电感耦合等离子体刻蚀技术、离子注入技术等微纳加工技术在高质量的GaN基片上制造了垂直结构的肖特基二极管,并取得了以下成果:1.对利用金属有机物化学气相沉积方法(MOCVD)同质外延生长的GaN基片进行了基础的表征分析。主要有原子力显微镜(AFM)、阴极荧光(CL)、高分辨X射线衍射(HRXRD)和二次离子质谱(SIMS)等方式,分别表征了 GaN材料的表面形貌、位错密度及背底掺杂浓度。结果表明,所用的GaN材料表面平整、位错密度低、结晶质量好且背底掺杂浓度低,满足制备垂直结构GaN基肖特基二极管的要求。2.利用TCAD技术对垂直结构的GaN基肖特基二极管进行了结构设计及模拟计算,主要用于分析在一定反向偏压下,不同结构的电场强度分布情况。此外,还利用SRIM软件对离子注入的能量和注入计量参数进行模拟分析,我们通过设计场板的长度以及离子注入的能量和剂量,来实现高性能的垂直型GaN基肖特基二极管。3.利用紫外光刻、电感耦合等离子体刻蚀、硼离子注入和电子束蒸发等微纳加工工艺制造垂直结构GaN基肖特基二极管。我们对比了场板结构的肖特基二极管与场板结构和硼离子注入工艺相结合的肖特基二极管的性能,发现经硼离子注入的肖特基二极管的反向击穿电压提升到了 585 V,反向漏电流降低了 5个数量级,开关比提升至108。此外,硼离子注入技术将二极管的肖特基势垒从0.68 eV提升到0.82 eV。这表明硼离子注入技术能有效的提高反向击穿电压、抑制漏电流。