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电力电子技术正朝着高速、高能效、高功率密度方向发展，而传统Si基电力电子器件受到导通电阻大、反向恢复时间长、高温性能退化等因素的限制，在高频、高能效方面的应用越来越趋近于其物理极限。宽禁带GaN半导体具有临界击穿场强高、电子饱和漂移速率大、耐高温等优点，尤其是AlGaN/GaN HEMTs（高电子迁移率晶体管）具有高迁移率2DEG（二维电子气）沟道，展现出优异的能效特性和频率特性，被认为是高速、高能效、耐高温电力电子技术中最具有竞争力的技术。但是，由于AlGaN/GaN材料通常是异质外延生长，晶格失配和热失配造成的缺陷密度高。再者，AlGaN/GaN HEMTs是横向器件，2DEG导电沟道距离器件表面只有几十纳米，器件表面缺陷对2DEG浓度和迁移率影响很大。针对上述问题，本文开展了AlGaN/GaN HEMTs表面钝化技术、击穿机理、以及纵向GaN功率器件研究工作，具体如下: 1.采用ALD（原子层沉积）方法制备的Al2O3氧化物薄膜作为AlGaN表面钝化层，形成MIS（金属/绝缘层/半导体）栅结构的AlGaN/GaN MIS-HEMTs。由于器件工艺过程如干法刻蚀、光刻等对Al2O3薄膜造成损伤，绝缘性降低，导致介质过早击穿，抑制电流崩塌效应效果不理想。当采用SiNx/Al2O3叠层介质作为界面钝化层时，AlGaN/GaN MIS-HEMTs击穿电压高达800V。 2.在Al2O3/AlGaN/GaN MIS结构I-V(电流-电压)曲线中发现负微分电阻现象，而且低温下更明显。通过能带仿真和泄流电流机制分析，发现负微分电阻现象是MIS结构隧穿漏电机制结合GaN导带子能谷间电子转移造成的。 3.为了更有效抑制AlGaN/GaN MIS-HEMTs的电流崩塌效应，提出了在GaN和介质之间插入氟化石墨烯(FG)的表面钝化技术。基于石墨烯原子尺寸的纵向隔绝性，可以阻止GaN表面与介质层之间元素相互成键，并且石墨烯形成的电偶极子层，可以抑制表面类施主缺陷的充放电，进而抑制电流崩塌效应。研究发现氟化石墨烯能有效抑制肖特基二极管表面漏电，并且能调制肖特基接触。当氟化石墨烯插入到GaN和Al2O3之间，形成AlGaN/GaN FGMIS-HEMTs结构，FG MIS-HEMTs的饱和输出电流密度提高了34.3％，峰值跨导增大了14.4％，导通电阻降低了21.6％，关态栅泄漏电流减小了两个数量级，并且电流崩塌幅度从41.8％降低到8.1％，动态电阻增幅大幅减小。 4.击穿特性是衡量功率器件性能的重要指标，但是AlGaN/GaN HEMTs的击穿机理并不清晰。本文利用数值仿真方法分析了HEMTs器件的主要漏电击穿通道与漂移区长度、缓冲层非故意掺杂浓度、以及缓冲层厚度之间的关系。研究发现，在不考虑栅介质漏电击穿的情况下，AlGaN/GaN HEMTs存在三条主要的漏电击穿路径:a.源漏穿通漏电击穿电流，主要发生在缓冲层非故意掺杂浓度高的情况;b.缓冲层内碰撞电离漏电通道:该漏电击穿机制下，击穿电压随着漂移区长度增大而增大;c.通过Si/缓冲层界面反型层形成的垂直漏电击穿通道，该漏电机制体现为击穿电压随着漂移区增大趋于饱和，而且在非故意掺杂浓度较低情况下出现。 5.为了解决AlGaN/GaN HEMTs横向器件面临的电流崩塌问题、电流密度低、以及击穿电压低等问题，设计了基于同质外延GaN-on-GaN技术的纵向功率器件，提出了新型浮岛(FLI)槽栅(TG) MOSFET结构，利用仿真工具进行了浮岛结构优化，实现了2464V的击穿电压，同时特征导通电阻仅为3.0mΩ·cm2，Baliga品质因数(BFOM)较相同结构TG-MOSFET提高了150％。