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电力电子领域及信息科学领域中，承担控制与传输电能角色的增强型功率开关器件，能耗指标非常关键。基于第三代半导体材料GaN的增强型功率开关器件，拥有高击穿电场和高电子迁移率，比第一代半导体材料Si的增强型功率开关器件，能量传输效率更高。除此之外，GaN材料的高辐射耐受性，使得增强型GaN功率开关器件比Si的器件，在比如卫星的太阳能电源供应系统等辐射环境的应用中，更具优势。GaN增强型功率开关器件的发展近年来备受工业界关注，然而，目前其仍未能充分发挥其材料上的优势。主要表现在泄漏电流导致的提前击穿，使得高压段(1200V)的GaN增强型开关器件商业化产品很少，而抗辐照加固研究的欠缺，抗辐射增强型GaN功率晶体管产品也极少。
本文以传统的增强型栅极场板AlGaN/GaN MISFET(Conventional AlGaN/GaN Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor with Gate Field Plate，简称GFP-C MISFET)作为研究对象。为解决缓冲层泄漏电流易导致击穿的问题，设计满足高压段要求的耐压新结构，抑制缓冲层泄漏电流，改善电场分布，提高器件的耐压和功率品质因数(Baligas Figure of Merit，BFOM)，使其拥有更高的电能利用效率。为补充GaN功率开关器件领域抗单粒子烧毁加固领域的研究，对GFP-C MISFET单粒子烧毁机理进行研究，并提出抗单粒子烧毁效应的加固结构，提高器件的耐辐照能力。通过相关理论研究及仿真数据分析，论文取得的成果归纳如下:
1.基于P型埋层和漏场板技术的耐压改善结构
为提高器件的耐压，在缓冲层中插入与源极相连的P型埋层，抑制缓冲层的泄漏电流，同时改善栅极区域的电场分布。设置漏极场板，进一步改善漏极区域中的电场分布，提高击穿电压。P型埋层对沟道中部分二维电子气有消耗作用，所以导通电阻有较少的退化，击穿电压和特征导通电阻能够得到很好的折中。通过采用计算机辅助设计技术软件Sentaurus TCAD(Technology Computer Aided Design)进行合理的参数优化，基于P型埋层和漏场板技术提出的耐压新结构SC-PBL FPs MISFET(MISFET with A Source-Connected P-Burid Layer and Field Plates)，获得的击穿电压高达1311.62V，功率品质因数可达2.6GW·cm-2。
2.基于电极相连PIN埋管技术的耐压改善结构
为进一步利用GaN材料的优势，优化GaN缓冲层中漏极区域的电势分布，提出了源极相连P型埋层和漏极相连N型埋层相结合的耐压改善技术。一方面，N型埋层可以给器件提供额外的载流子，改善导通电阻;另一方面，P型埋层、缓冲层和N型埋层，可以看作为反向偏置的PIN二极管，可有效改善栅极和漏极之间的电势分布。采用此种技术提出的具有电极相连缓冲层PIN埋管的耐压新结构器件EC-PIN MISFET(MISFET with An Electrode-Connected PIN Diode inserted in the buffer layer)。虽然相比SC-PBL FPsMISFET，工艺更复杂，但最终优化后，可获得1400V的击穿电压，高达3.08GW·cm-2的功率品质因数。
3.单粒子烧毁效应机理与加固新结构研究
通过不同的入射位置入射重离子，结合瞬态分析的方法，分析电子及空穴的流向，进一步理解单粒子烧毁与电场分布之间的关系，确定增强型AlGaN/GaN MISFET发生重离子辐照下的单粒子烧毁的机制。为了提高器件的辐照的耐受性，提出一种漏极相连N型插入层与源极相连P型插入层相结合的加固技术，并据此提出具有电极相连插入层的辐射加固新结构EC-DP MISFET(MISFET with Electrode-Connected Doped Plugs)。通过相同辐射环境对照研究方法，发现相比GFP-C MISFET，其能有效对重离子辐照产生的电子空穴进行泄流，降低器件烧毁的风险，拥有更宽的抗单粒子烧毁的安全工作区。
本文以传统的增强型栅极场板AlGaN/GaN MISFET(Conventional AlGaN/GaN Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor with Gate Field Plate，简称GFP-C MISFET)作为研究对象。为解决缓冲层泄漏电流易导致击穿的问题，设计满足高压段要求的耐压新结构，抑制缓冲层泄漏电流，改善电场分布，提高器件的耐压和功率品质因数(Baligas Figure of Merit，BFOM)，使其拥有更高的电能利用效率。为补充GaN功率开关器件领域抗单粒子烧毁加固领域的研究，对GFP-C MISFET单粒子烧毁机理进行研究，并提出抗单粒子烧毁效应的加固结构，提高器件的耐辐照能力。通过相关理论研究及仿真数据分析，论文取得的成果归纳如下:
1.基于P型埋层和漏场板技术的耐压改善结构
为提高器件的耐压，在缓冲层中插入与源极相连的P型埋层，抑制缓冲层的泄漏电流，同时改善栅极区域的电场分布。设置漏极场板，进一步改善漏极区域中的电场分布，提高击穿电压。P型埋层对沟道中部分二维电子气有消耗作用，所以导通电阻有较少的退化，击穿电压和特征导通电阻能够得到很好的折中。通过采用计算机辅助设计技术软件Sentaurus TCAD(Technology Computer Aided Design)进行合理的参数优化，基于P型埋层和漏场板技术提出的耐压新结构SC-PBL FPs MISFET(MISFET with A Source-Connected P-Burid Layer and Field Plates)，获得的击穿电压高达1311.62V，功率品质因数可达2.6GW·cm-2。
2.基于电极相连PIN埋管技术的耐压改善结构
为进一步利用GaN材料的优势，优化GaN缓冲层中漏极区域的电势分布，提出了源极相连P型埋层和漏极相连N型埋层相结合的耐压改善技术。一方面，N型埋层可以给器件提供额外的载流子，改善导通电阻;另一方面，P型埋层、缓冲层和N型埋层，可以看作为反向偏置的PIN二极管，可有效改善栅极和漏极之间的电势分布。采用此种技术提出的具有电极相连缓冲层PIN埋管的耐压新结构器件EC-PIN MISFET(MISFET with An Electrode-Connected PIN Diode inserted in the buffer layer)。虽然相比SC-PBL FPsMISFET，工艺更复杂，但最终优化后，可获得1400V的击穿电压，高达3.08GW·cm-2的功率品质因数。
3.单粒子烧毁效应机理与加固新结构研究
通过不同的入射位置入射重离子，结合瞬态分析的方法，分析电子及空穴的流向，进一步理解单粒子烧毁与电场分布之间的关系，确定增强型AlGaN/GaN MISFET发生重离子辐照下的单粒子烧毁的机制。为了提高器件的辐照的耐受性，提出一种漏极相连N型插入层与源极相连P型插入层相结合的加固技术，并据此提出具有电极相连插入层的辐射加固新结构EC-DP MISFET(MISFET with Electrode-Connected Doped Plugs)。通过相同辐射环境对照研究方法，发现相比GFP-C MISFET，其能有效对重离子辐照产生的电子空穴进行泄流，降低器件烧毁的风险，拥有更宽的抗单粒子烧毁的安全工作区。