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随着上世纪九十年代GaN材料制备关键技术的突破，以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体作为新一代半导体材料迅速崛起，成为发展新型半导体异质结构与器件的重要材料．Ⅲ族氮化物具有宽带隙、高饱和电子漂移速率，高击穿场强和高热导率等优越材料电子性能，在短波长光电器件以及高频、高温、大功率电子器件领域极具发展潜力．特别是纤锌矿结构Ⅲ族氮化物异质结构中存在强烈的自发极化和压电极化，以及异质结构界面巨大导带偏移，成为迄今能提供最高二维电子气浓度的半导体材料体系，因而是发展微波功率器件的理想结构．因此，Ⅲ族氮化物异质结构不仅具有丰富的物理内涵，是研究低维量子输运的理想体系，而且具有极其重要的技术应用价值，用于发展高性能二维电子气电子器件．器件结构的优化设计和器件材料质量是影响器性能的关键因素，因此，开展Ⅲ族氮化物异质结构二维电子气及深能级的研究对发展Ⅲ族氮化物电子器件，深入Ⅲ族氮化物低维物理研究，有极其重要的科学意义和实际价值．
本论文针对以上问题开展了两方面研究工作，首先，第一部分研究了Ⅲ族氮化物异质结构二维电子气性质，基于Ⅲ族氮化物异质结构特有的强极化性质和巨大能带偏移，系统深入研究了AlGaN/GaN异质结构二维电子气性质，为极化能带工程设计奠定了理论基础，提出、探讨了几种调控二维电子气的新结构，针对异质结构中极化与能带排列特点，实现对二维电子气的调控，揭示了不同结构对其二维电子气的调控机制。第二部分为Si基AIN深能级的研究，采用热激电流(容)谱技术对Al/AlN/Si MIS结构进行研究，测定给出Si基AIN深能级特性，揭示了不同陷阱电荷发射机制；用电容瞬态谱技术和C—V技术深入研究AlN深能级电荷存储动力学过程及MIS结构的电荷读写行为．取得主要结果如下：
1．系统深入研究了AlGaN/GaN异质结构中二维电子气性质，建立理论计算模型，编制自恰计算程序，揭示了AlGaN/GaN异质结构二维电子气浓度和分布与Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度和掺杂等的依赖关系和规律，为AlGaN/GaN异质结构二维电子气器件优化设计，为Ⅲ族氮化物低维异质结构的极化能带工程设计奠定了理论基础。
2．首次提出可获得极高二维电子气浓度的InN基InxGa1-xN/InN异质结构，由应变InGaN势垒中极强的压电极化和InxGa1-xN/InN异质界面巨大的导带偏移，导致InxGa1-xN/InN异质结构可获得极高浓度的二维电子气．当InxGa1-xN势垒层中In组分为0.1，掺杂浓度为1×1019cm-3时，二维电子气面密度高达1.01×1014 cm-2，有望发展新型InN基HEMT器件．
3．基于极化能带工程设计，提出一种高Al组分应变调制AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结构．通过引入弛豫的底层AlyGa1-yN势垒层，可显著提高AlxGa1-xN势垒层中Al组分而不增加其中应变，避免AlxGa1-xN势垒层发生弛豫，从而获得更高浓度二维电子气．揭示了顶层和底层势垒层中Al组分x、y，顶层AlxGa1-xN势垒层中掺杂以及GaN阱层掺杂对二维电子气浓度的影响，结果表明，二维电子气浓度随Al组分x增大而增加的趋势强于随Al组分y增大而减小的趋势，因此从应变及提高二维电子气浓度两方面考虑，AlN/GaN/Al0.5Ga0.5N异质结构是最优化的结构．
4．深入研究了AlGaN/AlN/GaN异质结构中AlN隔离层对二维电子气浓度的影响，提出AlN隔离层“临界”厚度的概念，揭示了AlN隔离层与AlGaN势垒层对二维电子气“竞争”贡献关系。当AlN隔离层厚度小于临界值，二维电子气主要由AlGaN势垒层所贡献，二维电子气浓度随AlGaN势垒层厚度增大而增大；当AlN隔离层厚度大于临界厚度，二维电子气主要由AlN层所贡献，二维电子气浓度随AlGaN厚度增大而减少；同时进一步给出AlN隔离层的“临界”厚度随AlGaN势垒层中Al组分增加而线性增加的关系。
5．基于AlN/GaN具有AlGaN/GaN异质结构体系最强极化效应的特点，研究了其中二维电子气性质。结果表明，AlN/GaN异质结构中二维电子气浓度为典型AlGaN/GaN异质结构中的四倍．
6．采用热激电流和热激电容谱技术对Al/AlN/Si异质结构中AlN的深能级进行研究．设计建立了热激电流(容)测量装置；揭示AlN中存在两个深能级，分别位于导带底下3.09 eV和3.53 eV；首次观察到Si基AlN的热激电流谱中“负峰”谱，建立陷阱电荷的俘获和发射模型，揭示了不同陷阱能级的发射机制．
7．采用C—V和电容瞬态谱技术研究揭示了Al/AlN/Si MIS结构由AlN深能级电荷俘获、发射行为产生的电荷存储效应，发现该结构呈现出良好的读写特性和电荷保持特性；电容瞬态谱测量表明，Al/AlN/Si MIS结构的电荷存储行为主要由AlN中深电子陷阱起作用；分别施加正、负向脉冲后电容瞬态谱表明，测量时间为2000s后仍有较明显的电容变化窗口，即“记忆”窗口；电荷存储的阈值电压约为1V；脉冲幅度增大到2.5V时，电荷存储量达到饱和；电荷存储量随脉冲宽度增加以对数方式增加。