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GaN基宽禁带半导体异质结构材料与器件是当前半导体科学与技术的前沿和热点研究领域之一。GaN基异质结构是发展电力电子器件和微波功率器件不可替代的半导体体系，其中GaN基薄膜材料的外延生长与物性研究是制备高质量GaN基异质结构的前提和基础。本文系统地研究了基于AlN阻挡层的低位错密度高阻GaN外延薄膜的金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长，以及采用AlGaN插入层的InAlN/GaN异质结构的外延生长和载流子输运性质，同时研究了In原子辅助生长对高Al组分AlGaN外延薄膜p型掺杂的影响，主要研究结果如下: (1)发展了一种基于AlN阻挡层的改进的MOCVD两步生长法，实现了低位错密度的高阻GaN薄膜的外延生长。我提出首先在蓝宝石衬底上生长一层高温AlN阻挡层，用于阻挡蓝宝石衬底中氧原子的扩散，接着再生长一层高压GaN成核层，引入3D成核过程，使得GaN外延生长在实现从3D模式向2D模式转换的同时，可以有效降低位错密度。采用这种方法，成功获得了低位错密度的高阻GaN外延薄膜，其X射线衍射(XRD)摇摆曲线(002)和(102)面的半高宽(FWHM)分别达到了173arcsec和360 arcsec，室温电阻率达到了5.78×1012Ω·cm。与国际上通常采用的高阻GaN生长方法相比，我发展的这种方法不需要引入杂质或缺陷来补偿GaN中的背景载流子，GaN薄膜在具有高电阻率的同时，其位错密度较低，且生长窗口变宽，更易于外延生长条件的控制和稳定。这种方法不限于蓝宝石衬底上的高阻GaN外延生长，对Si和SiC衬底上高质量高阻GaN外延生长同样有效。 (2)成功制备了较高质量的晶格匹配InAlN/GaN异质结构，其二维电子气(2DEG)浓度为2×1013cm-2，室温迁移率达到1430 cm2/Vs。为了抑制InAlN/GaN异质结构的肖特基接触反向漏电流，我提出并实现了采用AlGaN插入层的InAlN/GaN异质结构，其室温下的2DEG迁移率和浓度分别为1120 cm2/Vs和1.75×1013 cm-2。这种异质结构的肖特基结在反向偏压加到-10V时，漏电流密度仅为0.06 A/cm2，而未采用AlGaN插入层的InAlN/GaN异质结构在-10V的反向漏电流密度为1.63 A/cm2，相比降低了近2个数量级。我认为AlGaN插入层的引入切断了InAlN/GaN异质结构中沿位错线的富In漏电通道，从而减小了肖特基接触的反向漏电流。 (3)研究了带有AlGaN插入层的InAlN/GaN异质结构中2DEG的输运性质随温度的变化规律，并与AlGaN/GaN和InAlN/GaN单势垒层异质结构进行了比较。发现2DEG浓度在90K到400K的范围内随着温度的升高先上升后下降，在270K附近发生转折。我认为在90K到270K温度区间内2DEG浓度随温度的升高关系主要是InAlN势垒层的作用，InAlN势垒层内的杂质离化是导致2DEG浓度上升的主要因素。而在270K到400K的温度区间内2DEG浓度随温度的下降关系主要是AlGaN插入层的作用，AlGaN/GaN异质界面处的导带阶跃随温度上升而变小导致了2DEG浓度的下降。 (4)研究了MOCVD制备过程中，In原子辅助生长对高Al组分AlGaN外延薄膜p型掺杂行为的影响，获得的Mg掺杂Al0.43Ga0.57N外延薄膜的p型电阻率为1.45×104Ω·cm，比无In辅助生长的样品降低了2个数量级。研究发现，随着TMIn流量的改变，Al0.43Ga0.57N中受主激活能会发生变化，当TMIn流量为80sccm时，受主激活能达到最小，为259 meV。而没有In辅助生长的Al0.43Ga0.57N外延薄膜中Mg的受主激活能为579 meV。分析认为In原子作为表面活性剂降低了AlGaN外延薄膜中氮空位浓度，减弱了补偿效应;同时Mg和In有可能共掺形成了复合结构作为受主杂质，从而降低了Mg杂质的受主激活能。