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由于GaN基材料具有宽的带隙、高的电子饱和迁移速度、耐高压、抗辐照、容易形成异质结构、具有大的自发极化效应，因此特别适合制备新一代高频大功率微电子器件和电路，在军民领域具有重要的应用前景。GaN材料和器件是目前全球半导体领域的研究前沿和热点。本论文重点围绕GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)材料新结构的模拟设计、AlGaN/InAlN/AlN/GaN材料生长和器件制作开展研究工作，所取得的主要研究成果如下: 1.具有AlGaN/AlN超晶格(SLs)势垒层的GaN基HEMT结构研究 通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程，从理论上首次研究了具有AlGaN/AlN超晶格势垒层的GaN基HEMT结构中AlN厚度的变化对二维电子气的影响。结果表明，当AlGaN/AlN超晶格势垒层的厚度和等效铝组分保持不变时，改变势垒层中AlN的厚度，势垒层对沟道二维电子气(2DEG)的限域能力将发生变化;存在一个最佳的AlN厚度，当AlN的厚度为最佳值时，超晶格势垒层对沟道二维电子气的限域能力达到最大值;随着AlN厚度的增加，表面势减小，GaN沟道中载流子浓度将准线性增长;在AlGaN/AlN超晶格势垒HEMT结构中，2DEG的分布会较传统AlGaN势垒HEMT更加远离异质结界面，这将有利于减少界面粗糙和合金无序对二维电子气的散射作用。 2.具有InGaN/GaN多量子阱背势垒的AlGaN/AlN超晶格势垒层GaN基HEMT结构研究 为了提高GaN沟道底部对2DEG的限域能力，从理论上首次研究了具有InGaN/GaN多量子阱(MQW)背势垒的HEMT结构中背势垒对2DEG的影响。研究发现，GaN沟道厚度为17nm、量子阱中InGaN层In组分为0.1时沟道2DEG面密度最高，而量子阱中InGaN的厚度对2DEG面密度影响不大;AlGaN/AlN超晶格势垒的周期数有一个阈值，低于此阈值就不能形成2DEG，InGaN/GaN多量子阱背势垒的周期数对2DEG面密度的影响相对较小;采用In0.1Ga0.9N/GaN量子阱背势垒结构，可以提高GaN沟道底部对2DEG的限域能力。 3.AlGaN/InAlN/AlN/GaN HEMT结构材料研究 设计并生长了AlGaN/InAlN/AlN/GaN HEMT结构材料，研究表明，高温AlGaN的反向电场会导致沟道2DEG面密度的降低，而InAlN在高温下的相分凝会引起2DEG迁移率的降低;为了缓解高温生长AlGaN时InAlN质量的退化，我们在InAlN和AlGaN之间引入厚度为2 nm的低温GaN作为插入层，提高了材料的2DEG输运性能，2英寸外延材料平均方块电阻为309Ω/，不均匀性3.5％，室温2DEG面密度和迁移率分别为2.47×1013 cm-2和820 cm2/V·s。 4.AlGaN/InAlN/AlN/GaN HEMT器件的研制 用生长的蓝宝石衬底AlGaN/InAlN/AlN/GaN HEMT结构材料，在课题组的工艺线上进行了流片，研制出了具备一定性能的AlGaN/InAlN/AlN/GaN HEMT器件。栅长为1.4μm、栅宽为60μm的单指器件，夹断电压约为-5V，栅压为+3V时器件的最大饱和输出电流密度为1037mA/mm，栅压为-1.5 V时器件的最大跨导为160 mS/mm，表明我们研制的AlGaN/InAlN/AlN/GaN HEMT器件具有一定的性能。