当今,5G通信技术和市场正迅速发展,业界对更大输出功率、更高频率和更高击穿电压类通信芯片的需求开始在近些年争相迸发。近十年,具有高迁移率、高电子饱和速度和高击穿场强等基本特征的氮化镓基材料也在性能和商业应用方面都取得了质的飞跃。对用于通信系统的高频器件,最大截止频率、最大输出功率、功率附加效率以及其功率输出的线性度都是衡量其综合性能的重要指标。为了提高GaN基高频器件的关键指标,本文针对提高GaN基高频器件性能的关键技术进行了系统的研究。在第一章介绍GaN基材料的发展过程和GaN超高频器件的研究进展基础上,第二章系统阐述了 GaN基材料的基本特性及基于GaN基异质结材料的器件的工作原理,包括GaN基外延材料的极化效应、GaN基异质结结构中二维电子气的产生机理、以及GaN基器件的制备工艺和原理。重点阐述了器件制备常规工艺,包括新片清洗、欧姆接触的制备、有源区的隔离、表面钝化沉积、栅凹槽光刻和刻蚀、栅极制备和互联金属蒸发;最后分析介绍了器件的电流增益截止频率fT、功率增益截止频率fmax、输出功率Pout、功率增益Gain、功率附加效率PAE、三阶交调IMD3这6个毫米波器件的指标参数,并给出了提高各项参数的基本办法途径。第三章主要针对超高频器件关键技术中器件的栅结构进行研究,以电子束光刻技术为基础进行新型工艺制程的开发。其中主要包括了针对电子束光刻胶性质及其对应显影工艺的研究,提出一种新的曝光技术思路,并实现了对电荷积累效应及主场拼接现象的消除;同时结合几项新技术,提出一种能够稳定实现浮空T型栅的新型曝光胶型结构。最终实现了 20 nm最小线条、50 nm的阵列线条以及栅型规整的30 nm浮空T型栅。第四章首先对现代通信技术对功放器件的要求进行了简单的分析,并从高线性需求出发,分析了目前主流GaN器件工艺在高线性应用中实现高线性的原理、优势及不足。最终提出一种基于跨导补偿技术的新的栅型结构来解决超高频HEMT中可能存在的高线性问题。然后结合前面对电子束光刻技术的研究内容,利用光刻胶对电子剂量敏感度的差异进行渐变凹槽结构（TRG）的工艺设计及实现。接着,在两种不同材料上分别制备了两款TRG-HEMT,并对其从直流、高频和功率等方面进行器件线性度进行表征。其中,30GHz下在相同的输入功率范围内,AlGaN TRG-HEMT在的功率增益的压缩比平面器件要慢一倍,约为2dB;在8 GHz下的双音三阶交调测试中,TRG-HEMT在A类偏置下相比平面器件实现了高达9 dBc的线性度提升,在AB类偏置下实现了 2.6dBc的线性度提升,并在测试过程中始终满足高线性器件-25dBc的线性度要求。第五章首先通过对不同材料结构进行仿真分析,确定了超高频器件对材料的需求。然后结合需求分析了制备超高频大功率器件的难点及实现的矛盾——薄势垒和材料电子浓度的矛盾。接着从钝化的角度提出一种采用高压缩应力的原位SiNx钝化技术,该技术通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的SiNx钝化层,使4nm的Al0.2Ga0.8N/GaN异质材料的薄层电阻从6500Ω/□有效降低到312 Ω/□。得力于20 nm厚的高压缩原位应力源SiNx,该器件不仅可提供1.05 A/mm的大输出电流密度,而且在射频应用方面也展现出巨大的潜力,创记录地实现了高达157/334 GHz（100 nm栅长器件）和211/379 GHz（70 nm栅长器件）的截止频率fT/fmax。在30 GHz的连续波（CW）功率测试中,70 nm器件在Vds=20 V下表现出4.6 W/mm的大输出功率密度,峰值功率对应的附加效率（PAE）达到48.1%,功率增益也高达11.6dB,在Vds=10 V下PAE最高达到53.8%,输出功率密度为1.9 W/mm,功率增益为10.8 dB。相比于目前国际上主流高频技术手段,该技术不仅实现了最高的fT×Lg=16.6 GHz·μm,还实现了超高频器件对工艺制程节点的拓展,为后续超高频GaN HEMT向更高频域发展提供了可能。另外,我们通过对栅附近的应力源SiNx的部分去除进行应力工程,引入600nm的刻蚀沟槽后,实现了目前世界上频率性能最高的增强型器件,fT/fmax高达128/255 GHz,并与前面制备为耗尽型的超高频器件一起组成了可以应用于下一代6G移动通信的E/D模器件的解决方案,是目前工艺差异最简单的GaN超高频E/D模设计方案。第六章是本文研究工作的成果总结,并对未来GaN超高频技术做出了展望和预测。