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GaN HEMT器件以其高频大功率等特点成为下一代微波功率器件的绝佳选择,在军事和民用领域均得到了广泛的应用,目前,毫米波频段GaN基HEMT器件已经成为国内外研究的热点。论文在毫米波器件结构设计和关键工艺优化的基础上,开展了器件研制与模型的研究工作,建立了毫米波器件模型,并进行了模型的验证工作,取得以下主要研究成果:1、为了提升器件性能,开展了毫米波GaN HEMT器件关键工艺的研究。采用Ti/Al/Mo/Au高温合金技术和浅槽刻蚀欧姆技术分别实现了小于0.20Ω·mm（达到了同类研究的国际先进水平）和0.30Ω·mm的接触电阻率;结合U型栅槽刻蚀技术,利用三层复合电子束胶体系成功研制出100nm T型栅;通过CV和FTIR表征技术分析了SiN钝化介质内Si-H键和N-H键对器件漏电的影响,反馈并优化了工艺条件。2、基于关键工艺的研究和自主工艺流程,成功研制出高性能毫米波GaN HEMT器件。当栅极电压Vgs=2V时,器件饱和输出电流密度为1.15A/mm,跨导值达到381mS/mm;源漏间距2.4μm器件击穿电压达到103V,Vgs=-40V时75μm栅宽器件肖特基反向漏电流为2.1μA;0.15μm栅长毫米波器件截止频率和最高振荡频率分别为81GHz和157GHz,满足毫米波频段的应用;30GHz下连续波测试2×75μm栅宽器件输出功率密度为4.1 W/mm,最大PAE为28.6%。3、针对毫米波器件的短沟道效应问题,开展了三维栅控Fin-FET器件的研制工作。基于Atlas仿真软件对Fin结构的尺寸进行优化并且成功研制出Fin-FET器件。测试结果表明,与平面结构器件相比,三维Fin-FET器件具有更小的输出电导,更低的亚阈值摆幅和漏致势垒降低因子（DIBL）值,分别从638mV/decade和56.7 mV/V降至210mV/decade和15.2mV/V。三维结构有效的提升了器件的栅控能力,抑制了毫米波器件的短沟道效应。此外,为了降低毫米波器件由于栅长缩短引起的强电场效应,提出了凹槽悬浮场板毫米波器件结构,通过空间电场调制技术抑制强电场,结合空气介质减弱寄生效应,有效的提升了器件的关态击穿特性,两种源漏间距2.4μm场板器件的击穿电压分别达到137V和149V,比常规器件击穿电压提升了40%以上。同时成功抑制了毫米波器件的电流崩塌效应,静态偏置点(VGQ=0V,VDQ=0V)和(VGQ=-5V,VDQ=20V)下,两种毫米波场板器件的漏延迟分别降至4%和3.8%。4、为了降低器件表面态对反向栅漏电流的影响,开展了新型钝化技术的研究,首次提出了Al/SiN复合钝化技术,与传统单层SiN钝化器件性能对比,器件肖特基栅漏电流减小了2至3个数量级。利用TEM和TRIM表征技术分析了漏电流降低的机理,证实了薄层Al（介质层）可以阻挡介质生长时等离子体对半导体材料表面的损伤,提高了界面晶化的程度,减少了界面态,降低了GaN器件的漏电流。5、建立了毫米波GaN HEMT器件模型,从小信号特性和大信号非线性方面开展了研究工作。将COLD-FET条件法和去嵌结构方法结合完成小信号参数的提取工作,小信号模型仿真S参数与实测S参数拟合较准确;基于改进的电流和电荷拟合公式,引入频散子电路共同表征毫米波器件的非线性特性,得到器件模型功率仿真结果与器件实测功率特性一致。6、基于自主建立的器件模型和工艺流程,设计并研制出一款二推四路功率合成放大器电路。为了增加电路的频带,选择低通加高通网络拓扑作为输出、级间和输入匹配电路的结构,在驱动级引入RC稳定网络以改善电路稳定性。研制的MMIC电路面积为3169×2198μm2,实测小信号S参数与电磁仿真结果吻合精度高达91%,处于国内较高水平,中心频点9.6GHz下,电路输出功率为40±0.8dBm,功率附加效率PAE约为28.434%。