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GaN材料具有禁带宽度大、击穿电场高等优势，基于AlGaN/GaN异质结材料制作的高电子迁移率晶体管(HEMT)在高频大功率领域具有巨大的应用潜力。当前，可靠性问题是制约GaN器件大规模应用的主要因素，主要表现为较大的栅极泄漏电流引起的功耗高、耐压低等问题，以及GaN器件特有的电流崩塌效应。本文针对上述问题，在本课题组提出的“表面移动空穴模型”基础上，设计并制备了基于高介电常数的TiO2栅介质的AlGaN/GaNMOSHEMT器件，有效地降低了栅极泄漏电流，提高了击穿电压，并取得了优异的频率特性和功率特性。同时，针对电流崩塌效应，进一步完善了表面移动空穴模型，对于彻底消除电流崩塌效应具有重要意义。论文的主要创新工作包括: 1.基于表面移动空穴模型，发现AlGaN势垒层存在一个与Al组份相关的最优厚度toPT，并通过理论分析，得出了toPT的计算方法。随后，设计了欧姆同心圆结构及相关测试，验证了该计算方法的正确性。建立了重复、可控的减薄势垒层厚度、消除表面可移动空穴的实验方法，为GaNHEMT结构的设计规则提供了重要参考。 2.设计并制备了一种无场板结构、无钝化层的新型小尺寸MOS结构TiO2-AlGaN/GaNMOSHEMT器件，开发出栅介质自对准牺牲层工艺、EBL导电膜工艺等关键工艺技术，并优化了双层胶剥离工艺。在完成集成工艺开发基础上，所制备的新结构器件同时具有泄漏电流小、击穿电压高和截止频率大等特点。并首次报道了基于TiO2栅介质的AlGaN/GaNHEMT的微波小信号特性，在蓝宝石衬底上制备的栅长500nm的器件获得了21GHz的电流增益截止频率，同时其栅漏电低于1nA/mm，击穿电压接近100V。 3.采用SiC衬底AlGaN/GaN异质结外延片，研制了基于新型小尺寸MOS结构晶体管的大尺寸多栅功率器件，制备了栅宽分别为0.25mm、0.5mm和1mm的双栅、四栅和八栅微波功率晶体管。针对四栅和八栅晶体管的结构特点，进一步优化了电镀空气桥工艺。栅长400nm的双栅和四栅晶体管的电流增益截止频率和最大振荡频率都分别达到了40GHz和60GHz，fT×Lg品质因数达到了16GHz·μm，同时击穿电压大于180V。双栅晶体管在2.5GHz频率下，取得了6.6W/mm的输出功率密度。同时，八栅晶体管的饱和输出电流超过了800mA，最大跨导186mS，同时其栅漏电低于0.1μA。 出色的直流和微波特性证明了新型小尺寸MOS结构TiO2-AlGaN/GaNMOSHEMT微波功率晶体管在未来高频大功率应用中具有巨大的竞争力和应用潜力。