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氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMTs)具备诸多优良的性质，如临界击穿电场大、二维电子气(2DEG)浓度和电子迁移率高、耐高温、抗辐射等，非常适合高性能功率器件的研制。本论文从GaN基功率器件的研究进展和面临的技术挑战出发，基于能带工程，首先研究了增强型器件用Ga面极性InGaN/AlGaN/GaN异质结构材料的设计原则，之后探究了N面极性GaN/AlGaN/GaN HEMT材料结构中二维空穴气(2DHG)和2DEG的浓度调控机制。最后进行了相关材料的生长与器件验证。所取得的主要研究成果如下: 1.Ga面极性增强型InGaN/AlGaN/GaN异质结构的理论研究 首次从理论上系统研究了InGaN帽层的组分和厚度、AlGaN势垒层组分和厚度、以及InGaN中的p型掺杂对InGaN/AlGaN/GaN异质结构中AlGaN/GaN界面处的2DEG的调控作用。在一定条件下，该结构中可出现2DHG和2DEG共存。此时，InGaN/AlGaN上界面的2DHG成为一屏蔽层，阻止下界面的2DEG被InGaN耗尽。在一定的势垒层Al组分下，AlGaN势垒层存在一个临界厚度，在该临界厚度之下时，InGaN/AlGaN/GaN HEMT材料结构中2DHG和2DEG不能共存。此时，2DEG可以被一定组分、厚度的InGaN帽层耗尽。因此，要想制备增强型InGaN/AlGaN/GaN HEMTs器件，AlGaN势垒层的厚度应选取在该临界厚度以下。 2.N面极性GaN/AlGaN/GaN异质结构的理论研究 首次系统分析了N面极性GaN/AlGaN/GaN异质结构。在一定组分厚度的AlGaN势垒层下，AlGaN/GaN单异质结结构中存在2DHG;AlGaN层的Al组分和厚度越大，2DHG的面密度也越大。对于非故意掺杂的GaN/AlGaN/GaN异质结构而言，从理论上首次指出AlGaN/GaN下界面处的价带顶电子是GaN/AlGaN上界面处2DEG的本质来源之一，2DEG的出现依赖于AlGaN背势垒层和GaN顶层材料参数的选取。而对于AlGaN背势垒或GaN缓冲层故意掺杂（n型）的GaN/AlGaN/GaN异质结构而言，施主的电离也是2DEG的来源之一。相比Ga面极性HEMT结构，N面极性HEMT结构中沟道电子的限域能力更好，也更有利于形成极低的器件欧姆接触电阻，因而将来有望用来制备高性能功率器件。 3.Ga面极性InGaN/AlGaN/AlN/GaN异质结构的实验研究 设计生长了10nm In0.1Ga0.9N/22nm Al0.23Ga0.77N/1nm AlN/3.5μm GaN异质结构材料。(-1015)晶面的倒易空间Mapping显示，InGaN、AlGaN共格生长在GaN缓冲层上。器件的转移特性曲线存在一电流平台（32.0mA/mm），是由InGaN/AlGaN上界面的2DHG对沟道中2DEG产生屏蔽引起的。相对于无InGaN帽层的器件，该器件的阈值电压发生正向偏移（从-4.0V增大到-2.1V）。