随着科技的进步提升、5G时代的来临,现有的第一、二代半导体器件已经无法满足在更高频率、更高功率、更低功耗的通信领域技术发展的需求。新型化合物半导体材料GaN,具有宽的直接带隙、高电子饱和速率和高电子迁移率等优良性质以及独特的二维电子气（2DEG）结构,可以极大程度地满足现今通信技术的发展需求,大大提高了器件性能,使得以GaN为代表的第三代半导体材料在高频领域具有了广泛的应用潜力。为了充分发挥GaN HEMT在高频领域的优势,因此本文从器件的栅极结构出发,通过改变器件的栅型结构来获得更高的频率特性,最终采用最优结构与关键工艺,制作出高性能GaN毫米波器件。开展了对I型栅工艺进行开发研究。通过对电子束光刻胶的选取、光刻工艺过程的把控,最终得到了制作极小栅长的工艺实验方案。采用开发的I型栅制备工艺分别制作了Al GaN/GaN HEMT器件和In Al N/GaN HEMT器件。同为栅长20 nm、源漏间距3μm的器件,在最大跨导、最大饱和电流以及最大截止频率上,In Al N/GaN HEMT器件都明显优于Al GaN/GaN HEMT器件,其中Al GaN/GaN HEMT器件fT为101 GHz,In Al N/GaN HEMT器件fT为167 GHz。优化了浮空T型栅的制作工艺。对栅帽和栅脚之间的临近效应距离进行了优化;提出栅金属剥离使用蓝膜去除的工艺方法,避免栅帽在湿法剥离中脱落的现象;对光刻显影过程进行优化,大大提高了栅的成品率。采用优化后的浮空T型栅制作工艺制作出Al GaN/GaN HEMT器件,栅长为120 nm、源漏间距为3μm的器件,最大峰值跨导为308 m S/mm;栅压2 V时,饱和电流约为907 m A/mm;器件在电流密度1m A/mm时的击穿电压为37 V;最大截止频率fT为80 GHz,最高震荡频率fmax可以达到200GHz。提出了一种采用两种光刻胶旋涂三层,通过改变第二层和第三层光刻胶的曝光剂量分配,经一次曝光和一次显影直接得到浮空Y型栅结构的工艺方法。该方法通过对上层胶的曝光特性进行研究,然后对光刻胶的曝光剂量进行阶梯式分布,最终直接获得倾斜的栅帽结构。通过浮空Y型栅工艺制作出Al GaN/GaN HEMT器件,栅长为120 nm、源漏间距为3μm的器件,最大峰值跨导为329 m S/mm;栅压2 V时,饱和电流约为859 m A/mm;器件在电流密度1 m A/mm时的击穿电压为50 V,最大截止频率fT为103 GHz,最高震荡频率fmax达到230 GHz。与浮空T型栅器件相比,器件在电流密度1 m A/mm时的击穿电压提高了13 V;器件的fT可以提高23 GHz;fmax可以提高30 GHz。所以浮空Y型栅结构对器件的击穿电压和频率特性都有很大的提升,未来在毫米波领域应该会有广泛的应用。进行了浮空栅的薄层钝化研究。发现对于薄势垒浮空栅结构,20 nm钝化厚度为最优厚度,能有效抑制电流崩塌、提高跨导峰值,然而钝化之后器件出现了亚阈和关态特性恶化等问题,于是在钝化前加入了一些预处理工艺,其中从关态、亚阈、击穿等特性认为N2O+Si N 20 nm预处理为最优条件,从饱和电流、峰值跨导特性认为Si N20 nm为最优条件。