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氮化镓(GaN)材料由于具有优异的物理化学特性，由其形成的AlGaN/GaN异质结构非常适合制备高性能的高电子迁移率晶体管(HEMTs)，在射频和电力电子领域有着广阔的应用前景。GaN基器件的获取目前一般采用异质外延的方法，在异质外延衬底的选择中，Si衬底由于制备工艺成熟可大尺寸制备，价格低，是降低GaN基器件成本的有效手段，另外Si衬底还具有高的热导率利于器件散热。然而，由于Si衬底与GaN之间大的晶格失配和热失配，导致在Si衬底上外延生长GaN较为困难。 本论文将以Si基GaN外延生长存在的问题为出发点，围绕Si基GaN生长过程中AlN层的生长，大尺寸Si衬底上GaN应力的调控及GaN生长质量的提升，Si基AlGaN/GaN HEMT结构设计生长，器件性能表征等方面展开研究工作，取得的研究成果如下: 1、Si衬底上高质量AlN缓冲层生长。采用两种技术路线生长AlN成核层:预通Al工艺和LT-AlN生长工艺。采用预通Al工艺，研究了预通Al时间对AlN成核质点的影响，优化时间为20s时AlN成核质点均匀致密，生长120nm的高温AlN(002)面摇摆曲线半宽为0.35°，但AlN表面粗糙度较大为4.23nm。采用无预通Al的LT-AlN作为成核层，优化得到LT-AlN生长温度在1000℃，生长厚度为45nm，退火时间为10min时，在LT-AlN上生长120nm高温AlN的(002)面摇摆曲线半宽为0.39°，AlN表面粗糙度仅为0.753nm。 2、AlGaN应变调制层生长。在Si基AlN上1030℃下采用330nm厚的单层Al组份为25％的AlGaN应变调制层实现了1μm无开裂GaN外延层的生长;进一步引入50nm的Al组份为50％的AlGaN插入层和30nm的GaN应变插入层结合330nm的Al组份为25％的AlGaN应变调制层，实现了2μm的无开裂GaN外延层生长，其(002)和(102)摇摆曲线半宽分别为613arcsec和954arcsec。 3、AlN/GaN超晶格应变调制层的生长。研究AlN/GaN超晶格周期数、一个周期中AlN和GaN层生长厚度对GaN外延层生长质量和应力的影响。最终在4英寸Si衬底上采用45nm的LT-AlN加200nm的HT-AlN，结合80周期的AlN/GaN超晶格(AlN/GaN=1.5nm/2.5nm)实现2μm无开裂的GaN外延层生长，其(002)和(102)摇摆曲线半宽分别为480arcsec和730arcsec。 4、Si基AlGaN/GaN HEMT迁移率理论研究及全结构的生长。对影响AlGaN/GaN HEMT迁移率的相关散射因素进行理论计算，重点分析了位错散射和表面粗糙度散射对迁移率的影响。当穿透位错密度超过1×109/cm2时，电子迁移率会随着位错密度的增加快速下降。 对GaN生长Ⅴ/Ⅲ和生长压力进行优化得到了阻值高达1011Ω/sq的高阻GaN层;在4英寸Si衬底上采用AlN/GaN超晶格结构生长高阻GaN为2μm的HEMT全结构，其电子迁移率为1739cm2/V·s，二维电子气密度为9.42×1012/cm2;用构建的理论模型对具有不同位错密度样品的迁移率进行计算并与实验测试结果对比，得到的理论结果与实验结果变化趋势相同，理论结果可以定性解释实验结果。 5、Si基AlGaN/GaN HEMT器件制备。对生长的AlGaN/GaN HEMT样品进行流片验证，所得器件源漏欧姆接触电阻率为3.09×10-4Ω·cm2，方块电阻为352Ω，器件在Vgs=1V时，最大输出电流密度达到549mA/mm，阈值电压为-6V。