GaN基HEMT器件在高温、高压、高频大功率等应用领域已经取得了较大的成就,这都归功于GaN等III族氮化物材料优异的性能,这些性能包括:GaN材料禁带宽度大、电子饱和速度高、临界击穿场强高等以及较强的压电和自发极化效应产生的具有优越输运特性的二维电子气。研究人员在材料外延和器件结构设计、器件制备工艺做出了很多努力,期望材料和器件性能更加接近理论值,从而满足对器件性能日益增高的要求。其中,更高自发极化和压电极化强度的AlN/GaN异质结材料与其HEMT器件逐渐成为研究热点。与传统Al GaN/GaN HEMT器件相比,AlN/GaN异质结极化强度高,极薄的AlN势垒层（～3 nm）的就可以得到很高的2DEG浓度,可以提高器件的电流驱动能力。超薄的势垒层减小了栅到沟道的距离,可以非常有效的抑制由器件尺寸缩小引起的短沟道效应,避免传统Al GaN/GaN HEMT器件栅槽刻蚀工艺对2DEG造成损伤。然而,高质量AlN及其异质结材料的外延极其困难,常会出现应力不均和局部应变能释放导致样品出现微裂纹等现象,这使其优异特性的广泛应用受到了阻碍。国内对AlN/GaN异质结材料和HEMT器件的研究处于起步阶段,成功报道较少。本文在此背景下,重点围绕AlN半导体异质结构材料的外延生长和材料结构设计、HEMT器件制备和性能分析等方面展开工作,主要研究内容和研究成果如下:（1）本文研究了不同III/V对GaN材料质量和材料表面晶格形貌的影响规律,最终确定使用中等富Ga与Ga液滴模式的临界III/V来在MBE系统中外延GaN材料。研究发现,在中等富镓模式与Ga液滴模式下外延得到的GaN材料表面形貌平整、粗糙度小、接近原子级平整,这有助于异质结界面特性的改善,进而提升AlN/GaN异质结的输运特性。这种生长模式为高质量AlN/GaN异质结材料的生长打下了坚实基础。（2）计算了AlN在GaN材料上的临界厚度,生长了不同AlN厚度的异质结对势垒层的应变能进行调控,确定了3 nm厚度为最佳厚度。确定好AlN厚度后,使用Ga金属表面催化的方法对AlN的生长方法进行优化,最终得到2DEG浓度达到1.99×1013cm-2、迁移率为1019cm~2/V·s、方阻为308Ω/□的高质量AlN/GaN异质结。（3）制备了两种结构的AlN/GaN HEMT器件,并对其性能进行了深入测试和分析。分析发现,PECVD钝化工艺会对器件表面造成严重影响使其方阻增大一倍,输运特性恶化。栅槽干法刻蚀工艺会对器件的栅下势垒层造成破坏,使栅下沟道2DEG浓度急剧下降,阈值电压变正,饱和输出电流急剧下降。对省去钝化工艺的AlN/GaN HEMT器件按进行分析得到器件的饱和输出电流Idsmax接近1000m A/mm,峰值跨导Gm高于300m S/mm。（4）对无钝化工艺的AlN/GaN异质结器件进行了电流崩塌测试。分析发现当偏置为（-8V,20V）时,与准静态点（0V,0V）相比,电流的崩塌量增加到12.21%,仍然小于自热效应对输出电流的影响。因此,我们可以证明用MBE设备生长的带GaN帽层的AlN/GaN异质结,电流崩塌量较小,可以有效的提升器件的性能。综上所述,本文充分利用AlN材料的优越性能,对AlN/GaN半导体异质结材料和HEMT器件做了深入研究。通过PAMBE外延技术得到了高质量AlN/GaN异质结,得到了较高直流输出特性的AlN/GaN HEMT器件。