由于GaN材料具有禁带宽度宽、电子饱和速度高、极化强度高、击穿场强高等优点，因此GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在高频、高压、高功率等电子器件方面有显著的应用优势。近二十年来，常规AlGaN/GaN异质结构材料生长与器件工艺逐渐成熟，在微波功率器件和功率开关器件等方面已经得到了快速的发展与逐步的应用。对于整个III族氮化物半导体来说，AlN具有近四倍于GaN的击穿场强，AlN与GaN构成的三元合金材料AlGaN，随着Al组分增加，其击穿场强会从GaN的3MV/cm增加到AlN的12MV/cm，因此AlGaN作为沟道层在高压、大功率器件方面具有比GaN更大的发展潜力。近几年来，采用AlGaN替代GaN作为HEMT器件的沟道层，已经报道可以显著提高器件的击穿电压和高温稳定性，因此AlGaN沟道异质结构材料与高压HEMT器件越来越受到人们的关注。AlGaN沟道HEMT器件存在的关键难题之一是高质量的AlGaN外延材料生长比较困难，特别是Al组分越高，AlGaN材料的生长难度越大，因而目前国内外关于AlGaN沟道外延材料和HEMT器件的报道还比较少，而且材料与器件性能不高。为了提高高Al组分AlGaN外延材料的质量，近年来国外的一些研究人员已有采用AlN衬底上外延生长AlGaN沟道异质结材料，的确显著提升了AlGaN沟道异质结材料的电学特性和结晶质量，但是AlN衬底本身极难获得，目前尺寸小，价格高，因此也限制了这一方法的应用。本文则是在此背景下，基于应用最广、价格低廉的蓝宝石衬底，从理论和实验两方面深入开展了高Al组分AlGaN沟道异质结材料的生长工艺优化、结构优化以及高压HEMT器件制备的研究。主要研究工作如下：1.在GaN/蓝宝石基板上，通过改进和优化缓变AlGaN缓冲层的生长方法，AlGaN沟道异质结材料结晶质量和性能得到了显著的提升。研究发现，缓变缓冲层方法对于AlGaN沟道异质结材料特性的提高是非常有效的，不但提高了材料的结晶质量，还提高了材料的迁移率，降低了方块电阻。只是当沟道Al组分过高时，AlGaN缓冲层中会出现一定程度的载流子寄生沟道。2.采用SiC衬底，直接生长出高性能的高Al组分Al0.65Ga0.35N/Al0.40Ga0.60N沟道异质结材料，室温电子迁移率高达767cm2/V·s。通过对蓝宝石衬底与SiC衬底上直接生长Al0.65Ga0.35N/Al0.40Ga0.60N异质结材料的对比可以看出，SiC衬底上生长的AlGaN沟道异质结材料结晶质量更好，表面粗糙度更低。3.采用台阶突变AlGaN缓冲层生长方法，同时适当控制二维电子气总密度，在蓝宝石衬底上获得了高结晶质量、无寄生沟道的高Al组分Al0.65Ga0.35N/Al0.40Ga0.60N沟道异质结材料，室温电子迁移率高达893cm2/V·s。研究中，首先对于较低Al组分AlGaN沟道异质结材料，采用台阶突变缓冲层，显著改善了材料的结晶质量和电学特性，迁移率增加，方块电阻降低。然后，对于较高Al组分AlGaN沟道异质结材料，研究发现，采用台阶突变缓冲层，结晶质量也得到了显著提升，并且材料电学特性有显著改善。对于AlGaN缓冲层容易出现寄生沟道的问题，我们通过适当降低二维电子气总密度，消除了寄生沟道。4.基于缓变AlGaN缓冲层方法生长的AlGaN沟道异质结材料，研制出高击穿电压的HEMTs器件，栅漏间距为2.5μm时击穿电压大于200V。通过对器件的欧姆接触特性的分析发现器件的欧姆接触良好，但接触电阻偏大，这是由于较高Al组分势垒层欧姆接触制作困难以及工艺优化不足导致的。通过对器件直流特性和击穿特性的分析发现，相比于蓝宝石衬底上直接生长的AGaN沟道HEMT器件，采用缓变AlGaN缓冲层生长的AGaN沟道HEMT器件具有更低缓冲层漏电和更小的DIBL效应。而且采用缓变缓冲层的方法，在提高材料质量的同时并没有导致击穿特性的下降。