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GaN材料由于其禁带宽度大、电子饱和速率高、耐高压、抗辐射并且具有独特的极化效应，成为制作高温、高频、大功率、抗辐照的微波电子器件的理想材料。GaN基微电子器件，尤其是AlGaN/GaN HEMT微波功率器件在相控阵雷达、电子对抗、卫星通讯、灵巧武器、通信基站、航空航天等领域具有极为广阔的应用前景。目前GaN材料一般采取异质外延生长方法获得，选用Si衬底可以降低成本、提高器件的散热性、而且能与Si基电子器件进行集成。近几年Si基GaN材料和器件的研究已经成为该领域的一个热点。然而，GaN外延层与Si衬底之间巨大的晶格失配和热失配导致GaN层中存在大量的裂纹和位错，严重阻碍了Si基GaN材料的应用。
本文以Si基GaN材料外延生长中遇到的主要问题为出发点，围绕Si基GaN异质外延的缓冲层设计、材料性能表征、Si基AlGaN/GaN HEMT结构材料的设计与生长、器件性能表征等方面展开研究工作，取得的主要研究结果如下：
1、研究了高温AlN/AlGaN复合缓冲层对Si基GaN外延层的应力补偿和位错过滤作用，优化了AlN层的厚度以及AlGaN层的厚度和结构。研究发现，优化的AlN/AlGaN复合缓冲层能够延缓GaN层中的压应力向张应力转变，对GaN外延层中的张应力补偿效果显著，从而达到抑制GaN表面微裂的目的。TEM截面分析表明，AlGaN缓冲层可以通过使位错发生倾斜增加位错之间相遇并相互作用而湮灭的几率，降低了穿透位错密度，提高了GaN材料的晶体质量。
2、首次采用高温AlN/AlGaN复合缓冲层结合AlN/GaN超晶格插入层的结构，在2英寸Si(111)衬底上外延生长出2μm表面无裂纹的GaN薄膜材料。材料表面平整光亮，AFM1μm×1μm均方根粗糙度为0.3nm，双晶XRD衍射GaN(0002)面半高宽为479.8arcsec，采用热腐蚀法得到的GaN材料表面穿透位错密度为～109cm-2。
3、研制出表面无裂纹的Si基AlGaN/GaN HEMT结构材料。二维电子气面密度为0.8×1013cm-2，室温(300K)与液氮温度(70K)下的二维电子气迁移率分别为1928cm2/V·s和12277cm2/V·s，室温下二维电子气面密度与迁移率的乘积为1.54×1016/V·s。该HEMT结构材料的二维电子气性能优异，电子迁移率接近目前国际上报道的Si基AlGaN/GaN HEMT结构材料的最高水平。
4、采用我们研制的材料，与中科院微电子所合作研制出栅长0.8um、栅宽100μm～3mm的Si基AlGaN/GaN HEMT微波功率器件。直流条件下栅宽为100μm的单管器件的最大输出电流密度达到0.92A/mm，最大单位跨导为249mS/mm；栅宽为1000μm的10插指器件的截止频率为11.0GHz，最高振荡频率为13.6GHz；栅宽为1250μm的10插指器件在2GHz连续波条件下输出功率密度为371mW/mm，功率增益为16.66dB。
5、在国内首次对Si基AlGaN/GaN HEMT功率器件的抗辐照性能进行了测试。采用钴-60放射源，γ射线辐照总剂量为100800rad，辐照前后器件的饱和输出电流密度下降幅度仅为0.68％，肖特基反向漏电增加幅度仅为1.05％，器件的直流特性没有受到破坏，表明器件的抗γ射线辐照能力达到105rad以上。