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宽禁带GaN基半导体材料由于其优越的物理和化学特性，在制备高温、高频大功率微电子器件方面具有巨大潜力和广阔应用前景，GaN基微电子器件是目前国际上研究的热点。本文以GaN基高温、高频、大功率微电子材料和器件发展中出现的问题和难点为主要研究对象，主要围绕GaN基HBT和InGaN沟道HEMT材料生长、结构设计和器件性能等方面作了一些工作。采用MOCVD技术生长研究了p型GaN和InGaN材料，对GaN基HBT和InGaN沟道HEMT进行了理论设计，探索优化了GaN基HBT和InGaN沟道HEMT材料生长工艺，并采用x射线衍射、原子力显微镜、卢瑟福背散射、霍尔测试、透射电镜、二次离子质谱和电化学C-V等多种分析方法对生长的材料性能进行了表征，制作了InGaN沟道HEMT器件并对其性能进行了测试分析。取得的主要结果如下：
1，研究了退火温度对Mg掺杂GaN性能的影响。退火温度对p型GaN的空穴浓度影响很大，经高温退火后，本工作中p型GaN空穴浓度达到5×1017cm-3，电阻率降到2.5Ω·cm；退火对Mg掺杂GaN发光峰位置没有影响，PL发光峰位置在2.85eV，是深施主能级(DD)到MgGa受主能级问的DAP跃迁；退火处理后晶体质量无明显变化，但表面析出许多纳米颗粒。
2，研究了不同In组分InGaN中的应力、缺陷和发光特性，分析了掺杂对InGaN材料晶体质量和In组分分布的影响。随着In组份的增加，InGaN外延膜所受压应力逐渐增加，驰豫量逐渐升高；InGaN表面有许多孔洞，随着In组分的增大，孔洞密度增大，InGaN表面孔洞密度与其位错密度相当，InGaN表面的螺旋生长与位错有关；随着In组份的降低，InGaN发光峰的峰宽减小，晶体质量提高，经计算低In组份的InGaN材料带宽弯曲因子在2.5 eV左右。Si掺杂的n型InGaN的电子浓度约为2×1019cm-3以上，电子迁移率为105cm2／V*s，Mg掺杂InGaN退火后，其空穴浓度可高达4×1018cm-3以上，电阻率降到0.6Ω·cm。掺杂尤其是Mg掺杂使InGaN晶体质量变差，并且使In组份分布不均匀，由里向外增大。
3，对AlGaN／GaN和GaN／InGaN结构的HBT直流特性和频率特性进行了理论分析。发现对于渐变发射结结构，AlGaN发射区中Al组分很小时就可以得到很高的电子与空穴注入比，可有效抑制基区空穴向发射区的注入；基区能带渐变的GaN／InGaN HBT结构中，随着基区近集电区一端In组分的增加，即基区中的带隙差增大，集电极输出电流增加。减小电子在基区渡越时间是提高特征频率的关键因素，p型GaN基区中空穴浓度低、空穴迁移率小等特点大大影响了GaN基HBT器件的频率特性，GaN/InGaN基区能带渐变结构有利于提高HBT的直流和频率特性。
4，发现并分析了Si掺杂GaN和AlGaN时具有不同掺杂效率的现象。由于NH3和TMAl强烈的预反应降低了N的化学势，使外延层表面产生局部富Ga条件，阻止溶解度限制相Si3N4的生成，促进了Si到AlGaN中的结合，SiH4和TMAl的共掺有利于提高Si在AlGaN中的掺杂效率。
5，生长了AlGaN／GaN HBT结构，对如何减小发射结Mg记忆效应进行了工艺探索和优化。由于Mg的记忆效应，Cp2Mg源关闭后在随后生长中产生富镁层和Mg元素分布拖尾的现象，提前适当时间关闭Mg源可以将富镁层限制在基区中，防止Mg进入发射区引起补偿，低温生长GaN spacer层在一定程度上抑制了Mg原子向上面生长层中的再分布，提高了Mg原子分布的界面陡峭度。
6，计算了AlGaN／InGaN／GaN结构中的极化电荷密度，研究了InGaN沟道中2DEG的散射机制。在AlGaN／InGaN／GaN HEMT结构中，随着势垒层中Al组分和沟道中In组分的增加，AlGaN／InGaN界面极化正电荷密度增大，使极化效应诱发的2DEG密度增大，在InGaN／GaN界面，随In组分的增加，极化产生的负电荷密度增大，沟道中极化电场的增强使2DEG分布更窄，提高了二维特性。对InGaN沟道中2DEG的散射机制研究发现，在较高温度下，极性光学声子散射和合金无序散射是最主要的散射机制，在较低温度下，InGaN沟道合金无序散射是最主要的散射机制，而随着In含量增大，合金无序散射将导致迁移率迅速降低。
7，分析了生长工艺对InGaN沟道HEMT材料性能的影响，研究了不同条件下生长InGaN沟道层和AlGaN势垒层对HEMT结构材料中2DEG输运性能和表面形貌的影响。随着InGaN沟道生长温度的升高，2DEG密度和迁移率升高；增大InGaN生长压力，2DEG密度和迁移率下降：在一定范围内，随着InGaN生长时间即厚度的增加，2DEG迁移率降低，密度增大，AlGaN垒层缺陷密度增加，表面质量下降。随着TMAl流量增加即AlGaN垒层中Al组分的增大，2DEG迁移率逐渐减小，密度逐渐增大，AlGaN表面粗糙度增加，质量变差。在AlGaN势垒层和InGaN沟道层间生长AlN或低温AlGaN插入层将使界面质量变差而迁移率下降，但2DEG密度增加。
8，制作出InGaN沟道HEMT器件，对器件性能进行了分析。HEMT器件栅长为0.8μm，栅宽为120μm，源-漏间距为4μm，器件的最大电流密度达到490mA／mm，饱和漏电流IDSS为26.4mA，器件的膝点电压为2.6V，最大跨导为136mS／mm，小信号高频测试测得器件的特征频率和最大振荡频率分别为5.8GHz和17GHz。