氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor, HEMT)以其击穿场强高、导通电阻低、转换效率高等特点引起科研人员的广泛关注并有望应用于电力电子系统中, 但其高功率密度和高频特性给封装技术带来极大挑战。传统硅基电力电子器件封装中寄生电感参数较大, 会引起开关振荡等问题, 使GaN的优良性能难以充分发挥; 另外, 封装的热管理能力决定了功率器件的可靠性, 若不能很好地解决器件的自热效应, 会导致其性能降低, 甚至芯片烧毁。本文在阐释传统封装技术应用于氮化镓功率电子器件时产生的开关震荡和热管理问题基础上, 详细综述了针对以上问题进行的GaN封装技术研究进展, 包括通过优化控制电路、减小电感Lg、提高电阻Rg抑制dv/dt、在栅电极上加入铁氧体磁环、优化PCB布局、提高磁通抵消量等方法解决寄生电感导致的开关振荡、高导热材料金刚石在器件热管理中的应用、器件封装结构改进, 以及其他散热技术等。

利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上制备了GaN∶C 薄膜。为得到高阻(或半绝缘)的GaN 薄膜，研究了源(CCl4)流量和载气对MOCVD 外延GaN 薄膜电学性能的影响，发现CCl4流量和载气对实现高阻的GaN 影响很大。当GaN 缓冲层采用N2作为载气，CCl4的流量为0.016 μmol/min 时成功实现了GaN 的高阻生长，样品A2的方块电阻高达2.8×107 Ω/sq。经原子力显微镜(AFM)测试显示，样品的表面形貌较好，粗糙度均在0.3 nm 附近，说明Ｃ掺杂对外延GaN 薄膜的表面形貌没有大的影响。低温荧光光谱测试显示黄光峰与刃型位错有关。

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备, 在蓝宝石(0001)面上外延不同生长时间AlN隔离层的AlxGa1-xN/AlN/GaN结构的高电子迁移率的晶体管(HEMT), 研究了AlN隔离层厚度对HEMT材料电学性能的影响。研究发现采用脉冲法外延(PALE)技术生长AlN隔离层的时间为12 s(1 nm左右)时, HEMT材料的方块电阻最小,电子迁移率为1 500 cm2·V-1·s-1, 二维电子气(2DEG)浓度为1.16×1013 cm-2。AFM测试结果表明, 一定厚度范围内的AlN隔离层并不会对材料的表面形貌产生重大的影响。HRXRD测试结果表明, AlGaN/AlN/GaN具有好的异质结界面。

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同AlN缓冲层厚度的GaN样品, 研究了AlN缓冲层厚度对GaN外延层的应力、表面形貌和晶体质量的影响。研究结果表明: 厚度为15 nm的AlN缓冲层不仅可以有效抑制Si扩散, 而且还给GaN外延层提供了一个较大的压应力, 避免GaN薄膜出现裂纹。在该厚度AlN缓冲层上制备的GaN薄膜表面光亮、无裂纹, 受到的张应力为0.3 GPa, (0002)和(1012)面的高分辨X射线衍射摇摆曲线峰值半高宽分别为536 arcsec和594 arcsec, 原子力显微镜测试得到表面粗糙度为0.2 nm。

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同Al组分(x=0.19,0.22,0.25,0.32)的AlxGa1-xN/AlN/GaN 结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料。研究了AlxGa1-xN势垒层中Al组分对HEMT材料电学性质和结构性质的影响。研究结果表明，在一定的Al组分范围内，二维电子气(2DEG)浓度和迁移率随着Al组分的升高而增大。然而，过高的Al组分导致HEMT材料表面粗糙度增大，2DEG迁移率降低，该实验现象在另一方面得到了原子力显微镜测试结果的验证。在最佳Al组分(25%)范围内，获得的HEMT材料的2DEG浓度和室温迁移率分别达到1.2×1013 cm-2和1 680 cm2/(V·s)，方块电阻低至310 Ω/□。

在Si(111)衬底上用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长了AlN和GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜研究了AlN缓冲层生长时的载气(H2)流量变化对GaN外延层的影响。椭圆偏振仪测试表明: 相同生长时间内AlN的厚度随着H2流量的增加而增加, 即H2流量增加会导致AlN生长速率的提高。原子力显微镜测试表明: 随着H2流量的增加, AlN表面粗糙度也呈上升趋势。XRD测试表明: 随着AlN生长时的H2流量的增加, GaN的(0002)和(1012)峰值半宽增大, 即螺型穿透位错密度和刃型穿透位错密度增加。可能是由于AlN缓冲层的表面形貌较差, 导致GaN的晶体质量有所下降。实验结果表明: 采用较低的H2流量生长AlN缓冲层可以控制AlN的生长速率, 在一定程度上有助于提高GaN的晶体质量。

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同AlN隔离层厚度的AlGaN/AlN/GaN结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料。研究了AlN隔离层对HEMT材料电学特性的影响。AlN隔离层厚度约为1.5 nm的HEMT材料，二维电子气浓度和迁移率分别达到1.2×1013 cm-2和1680 cm2/Vs、方块电阻低至310 Ω，体现了HEMT材料良好的电学性能。原子力显微镜和高分辨X射线衍射测试结果显示HEMT材料具有较好的表面形貌和异质结界面，较好的异质结界面也有利于增强HEMT材料的二维电子气浓度和迁移率。

利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长了高阻GaN薄膜。对GaN成核层生长的反应室压力、生长时间和载气类型对GaN缓冲层电学特性的影响进行了分析。实验结果表明, 延长GaN成核层的生长时间, 降低成核层生长时的反应室压力, 载气由H2换为N2都会得到高阻的GaN缓冲层。样品的方块电阻Rs最高为2.49×1011 Ω/□。以高阻GaN样品为衬底制备了AlGaN/AlN/GaN 结构HEMT器件, 迁移率最高达1 230 cm2/(V·s)。

主要研究了采用高温AlN缓冲层外延生长GaN/Si(111)材料的工艺技术。利用高分辨X射线双晶衍射(HRXRD)分析研究了GaN/Si(111)样品外延层的应变状态和晶体质量，通过原子力显微镜(AFM)分析研究了不同厚度的高温AlN缓冲层对GaN外延层的表面形貌的影响。实验结果表明，AlN缓冲层生长前预通三甲基铝(TMAl)的时间、AlN缓冲层的厚度对GaN外延层的应变状态、外延层的晶体质量以及表面形貌都有显著影响。得到最优的预辅Al时间为10 s，AlN缓冲层的厚度为40 nm。在此条件下外延生长的GaN样品(厚度约为1 μm)表面形貌较好，X射线衍射(XRD)双晶摇摆曲线半峰全宽(FWHM)(0002)面和(10-12)面分别为452″和722″。

研究了采用MOCVD技术分别在100与500Torr反应室压力下生长的非故意掺杂GaN薄膜的光学与电学性能。研究表明，低压100Torr外延生长条件可以有效地降低Ga与NH3气相反应造成GaN薄膜的碳杂质沾污，从而抑制造成光致发光中黄光峰与蓝光峰的深受主的形成，所制备的材料表现出较好的光学性能。同时，不同生长压力下的GaN薄膜表现出相异的电学性能，即在500Torr下生长的样品通常表现出更高的载流子浓度（（4.6~6.4）×1016cm-3）与更高的迁移率（446~561cm2/(V·s)），而100Torr下生长的样品通常表现为更低的载流子浓度(1.56~3.99)×1016cm-3与更低迁移率（22.9~202cm2/(V·s)）。