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氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体材料,其所具有的高电子饱和速度、高耐压性、抗辐照、耐高温等特点,弥补了传统硅材料和砷化镓材料在大功率密度、高温、高频应用领域中的不足。同时,GaN材料所具备的优越的功率品质因数,使得以GaN为基础的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）,在微波大功率应用上,有着更为广阔的发展前景。随着无线通讯系统、相控雷达、航空航天等领域的发展,对微波功率放大器的要求越来越高,采用外围电路对功率管的调控以及补偿等方式来实现高效率的输出环境,一直是功放研究和设计的主流,而从管芯层面研究功率附加效率对器件内部参数的特殊要求却少见报道。在号召“节能减排,绿色高效”的今天,高能效GaN HEMT管芯的研制与应用,在减少功率能量损耗和提高功放整机性能上有着巨大的潜力,本文在此背景下进行写作。为研究影响功率附加效率输出的因素,以获得高效率管芯的设计方法和思路,分别从外部因素和管芯内部参数两个方面分别进行研究分析。分析结果表明,外在工作条件和匹配方式,尽管制约着功率附加效率的输出,但是,其内在原因仍归结于管芯自身的影响,如容抗、输出阻抗等。在对管芯内部参数的仿真中发现,适当的降低器件跨导峰值换取更宽的跨导平坦区域,有助于提高管芯的效率输出能力。跨导参数优化结果显示,附加效率从最初的67.3%增长到82.3%。同时,栅源、栅漏电容的降低,有利于管芯大功率和高效率的输出。在前述提高效率输出的研究基础上,本文设计并提出了一种具有双凹陷AlGaN势垒层结构的GaN HEMT（DRBL GaN HEMT）。仿真结果表明,双凹陷AlGaN势垒层结构延缓了饱和漏电流的增长速度,降低了器件的跨导峰值,扩展了跨导饱和区域。栅极漏侧的凹陷区域,削弱了栅极拐角处的电场集边效益,提高了击穿电压。同时,栅极两侧势垒层的凹陷,抑制了栅下耗尽层向漏/源电极的延伸,栅漏、栅源电容得到降低。与常规GaN HEMT相比,DRBL GaN HEMT的跨导饱和区域增加了0.5V,击穿电压提高了8.7%,栅漏电容和栅源电容分别减小了6.3%和11.3%。小信号S参数仿真结果显示,DRBL GaN HEMT的射频特性得到改善,器件的最大振荡频率从57GHz提高到64GHz,功率增益提高了1dB,DRBL GaN HEMT拥有更大的功率、效率输出潜力。微波特性仿真验证,在600MHz和1200MHz时,DRBL GaN HEMT的饱和输出功率密度与常规器件相接近,分别为8.7W/mm和6.9W/mm。而更低的直流电源功耗,使得DRBL GaN HEMT能够输出更大的功率附加效率。在Vgs=-4V,Vds=20V直流偏压下,DRBL GaN HEMT在600MHz和1200MHz最大附加效率为90.2%,88%。当工作频率增大S波段2400MHz时,DRBL GaN HEMT小寄生栅源电容、栅漏电容带来的高能效的输出特性开始体现。饱和输出功率达到6.4W/mm,最大功率附加效率达到83.8%,均高于常规器件的5.0W/mm和80.3%。仿真结果验证,DRBL GaN HEMT具有比常规GaN HEMT器件高能效的输出优势和潜力。