以GaN为代表的第三代(宽禁带)半导体材料因其禁带宽度大、击穿场强高、热导率高、耐腐蚀和抗辐照等优势,特别是GaN异质结构具有高密度和高迁移率的二维电子气,被誉为是研制微波功率器件的理想材料。近年来,随着外延技术的不断进步,GaN外延材料的结晶质量也逐步提升,加上器件制造工艺的不断成熟,AlGaN/GaN HEMT器件性能不断提高。不过仍然存在一些关键问题制约器件性能与可靠性,如GaN缓冲层漏电问题和最佳异质结构问题。GaN缓冲层漏电直接使得器件的夹断特性变差,器件击穿电压不高,将严重降低器件的功率特性;GaN异质结构参数的优化问题也很严重。它们都与器件工作特性息息相关。本文首先从GaN缓冲层中杂质分布研究出发,分析认为缓冲层漏电可分为两种情况,一种是聚集有极高浓度载流子的掩埋电荷层,另一种是分布在整个GaN缓冲层中的背景载流子。在通过采用优化条件的HT-AlN成核层生长后,实现了将衬底中氧杂质的扩散抑制在了3D成核岛中,并且背景载流子浓度也控制在了1014cm-3量级。然而,GaN基微波功率器件工作时结温一般超过150℃,在这种情况下,GaN材料会本征激发出大量的背景电子,另外,工作在负栅压下的GaN基HEMT器件沟道中二维电子也会大量溢出至GaN缓冲层中,这都会严重影响GaN缓冲层的高阻特性。这时,需要通过适量的Fe掺杂在GaN缓冲层中形成深能级陷阱来束缚住这些背景载流子,以保证GaN基器件在工作时缓冲层仍然为高阻态。其次,本文通过分析GaN材料中存在的多种散射机制对沟道二维电子输运特性的影响,认为在GaN基HEMT器件正常工作的情况下,影响2DEG迁移率的主要散射机制为合金无序散射、界面粗糙度散射以及位错散射。本文中主要从优化常规的AlGaN/GaN异质结构着手来实现更高的沟道2DEG迁移率。通过对AlN插入层、AlGaN势垒层以及GaN帽层的优化,分析沟道2DEG浓度与迁移率的函数关系,来降低由合金无序散射和界面粗糙度散射对迁移率的限制作用,并最终实现器件性能的提升。再次,GaN材料作为一种极性半导体材料,沟道中二维电子与势垒层应变程度直接相关。而GaN外延层中残留大量应力时对器件的长期可靠性是极为不利的,受逆压电效应的作用,存有应力的GaN器件在高偏压工作时容易导致无法修复的损伤。最后,从成本以及材料的利用率来讲,GaN材料必然会向着大直径化的方向发展,通过对自主研发的MOCVD320系统结构的改进,成功的实现了在3、4inch蓝宝石和碳化硅衬底上高质量的GaN薄膜外延,整个外延片也具有较好的均匀性,基于此缓冲层外延的AlGaN/GaN异质结其电特性和均匀性也都能够满足器件制造的需要。