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宽禁带GaN基半导体具有极其优异的物理与化学特性，特别适合制备高温、高频、大功率和抗辐照新一代高性能微波功率器件，是目前国际研究的热点，受到广泛重视。本论文围绕GaN基HEMT的结构设计、材料生长和器件制作开展研究工作：我们设计并用MOCVD技术分别在蓝宝石和SiC衬底上制备了GaN基HEMT结构材料，对其结构、电学特性进行了深入地分析和研究；用我们研制的材料，与中国电子科技集团公司第五十五研究所合作进行了蓝宝石和SiC衬底AlGaN/GaNHEMT器件研制。所取得的主要研究结果如下：
1.蓝宝石衬底组分阶变势垒层HEMT结构
设计并生长了新颖的组分阶变AlGaN势垒层AlGaN/AlN/GaN HEMT结构。通过对AlGaN势垒层进行应变调控，AlGaN势垒层的表面形貌和二维电子气迁移率与传统高A1组分HEMT结构相比，均得到显著提高和改善，AFM5μm×5μm扫描面积的表面粗糙度为0.22nm，室温二维电子气迁移率为1806cm2/Vs；外延结构同时具有出色的二维电子气限制作用，二维电子气浓度在测量温度范围内基本保持不变。
2.蓝宝石衬底GaN沟道双异质结HEMT结构
设计并生长了有AlN插入层的AlGaN/AlN/GaN/AlGaN双异质结HEMT结构，对比研究了AlGaN势垒层A1组分对HEMT结构材料性能的影响。实验研究表明，高A1组分结构与低A1组分结构相比，方块电阻降低，但表面形貌变差。
对比研究了高A1组分的AlGaN/AlN/GaN/AlGaN双异质结和AlGaN/AlN/GaN单异质结HEMT结构的电学性能。实验研究表明，双异质结构与单异质结构相比，二维电子气输运性能明显改善，室温和低温80K二维电子气迁移率分别由834cm2/Vs和1588cm2/Vs增加到1019cm2/Vs和2631cm2/Vs，低温迁移率的提高效果更加显著。
3.蓝宝石衬底双AlN插入层HEMT结构
设计并生长了新颖的AlGaN/AlNa/GaN/AlNb双AlN插入层HEMT结构，研究了AlNb插入薄层生长时间对HEMT材料性能的影响。研究发现AlNb的生长时间在15s-21s之间时，外延结构具有较好的表面形貌和电学特性;AlNb的生长时间延长到30s后，表面形貌和电学特性明显恶化。
生长出具有较高二维电子气迁移率的AlGaN/AlNa/GaN/AlNb双AlN插入层HEMT结构，AlNb生长时间为15s的样品，室温二维电子迁移率和浓度分别为1967cm2/Vs和1.02×1013cm-2，2英寸外延片平均方块电阻和方块电阻不均匀性分别为273.8Ω/□和1.95％。
4.SiC衬底AlGaN/AlN/GaN HEMT结构
用MOCVD技术在6H-SiC衬底上研制出了高质量的GaN单层和AlGaN/AlN/GaN HEMT结构材料。采用非故意掺杂高迁移率GaN沟道层、AlN插入层、非故意掺杂高阻GaN层和非故意掺杂AlGaN势垒层来提高结构的二维电子气迁移率，研制材料的室温电子迁移率和浓度分别为1944cm2/Vs和1.03×1013cm-2，2英寸外延片平均方块电阻和方块电阻不均匀性分别为251.0Ω/□和2.02％。
5.AlGaN/GaN HEMT器件研制
采用我们研制的材料，与中国电子科技集团公司第五十五研究所合作研制出了蓝宝石和SiC衬底AlGaN/AlN/GaN HEMT功率器件。研究结果表明，我们研制的材料具有“器件质量”，适合用于微波功率器件研制。
栅长1.0μm、栅宽0.2mm的蓝宝石衬底组分阶变AlGaN势垒层AlGaN/AlN/GaNHEMT，最大输出电流密度Imax为800mA/mm，最大跨导为218mS/mm，栅漏击穿电压为80-100V，电流增益截止频率为5.5GHz，最高振荡频率为14GHz。
栅长0.35μm、栅宽1mm的6H-SiC衬底AlGaN/AlN/GaN HEMT，最大输出电流密度和跨导分别为1350mA/mm和382mS/mm，电流增益截止频率为31GHz，最高振荡频率为60GHz；在8GHz时最大输出功率密度和功率附加效率分别为9.39W/mm和46.2％。