随着环境污染和能源短缺问题的日益突出,节能减排、绿色低碳发展已成为我国乃至全世界关注的核心焦点问题。大力发展高性能、高效率、高可靠性的功率转换和控制系统,以合理利用电能、高效开发绿色可再生能源,是解决上述问题的有效途径之一,也是实现我国碳达峰、碳中和战略发展目标的有效措施。而研发高性能半导体功率开关器件是提升功率转换和控制系统性能的关键。近年来,得益于器件制备工艺和性能的大幅提升,氮化镓（GaN）基功率开关器件在消费电子、汽车电子、数控机床、新能源发电等众多领域已经展现出广阔的应用前景。本论文围绕AC-AC矩阵变换器、多电平逆变器、固态变压器等功率转换和控制系统中的核心器件——GaN基双向阻断功率开关器件的结构、工艺、特性、机理及应用,开展了系统、深入的理论与实验研究工作,重点解决GaN基双向阻断功率开关器件目前存在的开启电压高、反向漏电大等问题,并开展单片集成双向开关的实际应用研究。所取得的相关研究成果可为高性能、高效率、小体积功率电子系统的进一步研发奠定一定基础。取得的主要研究成果如下:1.论文研究了氧等离子处理对凹槽阳极GaN SBD电学特性的影响,结果表明,氧等离子处理后,凹槽阳极GaNSBD的开启电压略有增大,反向泄漏电流略微降低,电流崩塌效应得到有效抑制。XPS分析证明上述现象是由GaN材料表面形成薄氧化层所致。基于势垒高度分布不均模型的研究表明,氧等离子体处理后器件肖特基势垒高度不均匀性程度相对较大。采用p-GaN/AlGaN/GaN材料结构,论文提出了 一种新型阵列p-GaN岛终端结构GaNSBD。通过选择性刻蚀p-GaN层,在凹槽阳极边缘形成等间距分布阵列p-GaN岛终端,可在几乎不改变器件开启电压情况下,显著提升了击穿电压,有效降低了反向漏电流,改善了开启电压和反向漏电流之间的折衷关系。引入阵列p-GaN岛终端可使器件零偏结电容减小近似一半,频率特性得到有效改善。借助TCAD仿真分析了阵列p-GaN岛终端抑制肖特基结附近高电场提升器件击穿特性的机制。2.针对双向阻断GaN基HEMT漏极开启电压高的问题,论文研究了基于肖特基-欧姆混合漏的双向阻断MISHEMT。采用低功函数金属W和凹槽肖特基-欧姆混合漏相结合技术,将开启电压降低到了 0.25 V,实现目前已报道双向阻断HEMT中最好结果。片上80个器件开启电压标准偏差仅为0.01 V,表现出良好的均匀性。器件正、反向击穿电压均大于1300 V,特征导通电阻为3.5 mΩ·cm2,改善了击穿电压和导通电阻之间的折衷关系。TCAD仿真揭示了肖特基-欧姆混合漏降低开启电压的内在机制,高温热存储实验表明肖特基-欧姆混合漏结构具有良好的长时间可靠性。考虑功率器件实际应用时对安全工作和简单栅控电路的需求,论文开展了源-漏复合场板双向阻断p-GaNHEMT研究,获得了阈值电压2.1 V,漏极开启电压0.36V,正、反向击穿电压大于750 V的双向阻断p-GaN HEMT器件。正向和反向漏电压应力实验表明器件具有较好的电流崩塌抑制能力,基于数值仿真进行了机理剖析。3.论文研究了 p-GaN-欧姆混合漏双向阻断增强型HEMT,通过在靠近栅一侧的欧姆漏极引入p-GaN帽层,实现了目前已报道最低反向漏电流。漏极p-GaN尺寸与器件特性之间关系表明,随着漏极p-GaN尺寸增大,导通电阻和开启电压会逐渐增加,反向击穿电压几乎不变。300 V关态漏电压应力测试证明,p-GaN帽层的引入可有效改善p-GaN-欧姆混合漏双向阻断增强型HEMT器件的动态特性。论文采用凹槽肖特基和p-GaN隔离块沿栅宽方向交替分布所形成的肖特基-p-GaN混合漏特殊结构,提出了一种肖特基-p-GaN混合漏双向阻断增强型HEMT,相比传统凹槽肖特基漏双向阻断p-GaNHEMT,所提出器件可在不损失开启电压的同时,有效提高反向击穿电压,显著降低反向漏电流,改善漏极肖特基二极管开启电压和反向漏电流之间的折衷关系。数值仿真结果表明,通过调节漏极p-GaN隔离块宽度、相邻两个p-GaN隔离块之间凹槽肖特基宽度,可以有效改善器件导通电阻和反向击穿电压之间的折衷关系。4.论文研究了一种基于p-GaN HEMT的高性能二极管桥结构GaN单片集成双向开关,成功实现了输入交流电压的斩波特性。结果表明,该双向开关可实现1.84V阈值电压、1.13 V开态电压,1105 V正向阻断电压和-1115 V反向阻断电压,性能优于目前已报道的基于MOSHEMT的二极管桥结构GaN单片集成双向开关。论文提出了一种反并联双向阻断p-GaN HEMT单片集成双向开关,采用凹槽肖特基漏p-GaN HEMT降低了开态电压,采用双栅驱动有效控制了流经开关的电流方向,结果表明,双向开关的开态电压为0.63 V、导通电阻为30 Ω·mm、正向和反向阻断电压均大于650 V,并作为AC开关实现输入交流电压斩波功能。