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介电功能材料和半导体材料已成为各种电子器件中使用最为普遍、最具代表性的两类典型电子材料。随着电子信息系统向体积更小、功能更多、性能更强的方向发展，电子材料的薄膜化与集成化已成为主要的发展趋势。因此，将介电材料以固态薄膜的形式与半导体进行集成已成为当前电子材料研究的前沿和热点之一。一方面，利用该类集成结构的一体化特征，可将介电无源器件与半导体有源器件进行集成，实现有源—无源的多功能集成，促进电子系统小型化和单片化；另一方面，利用介电材料的极化等性能对半导体的输运性质进行调制，可诱导和耦合产生新的性能，为新型电子器件的研制提供新思路。本论文针对上述背景选取铌酸锂（LiNbO3，简称LN）铁电薄膜材料与宽禁带半导体GaN进行集成，构建出LN/GaN极化耦合结构，重点围绕该集成结构的极化调制和耦合效应开展了系统的研究，并利用铁电极化对二维电子气（2DEG）的耗尽作用，研制出一种具有重要应用价值的常关态LN/AlGaN/GaN增强型场效应管新器件。同时，本论文提出增加极性ZnO纳米层的界面修饰方法，显著改善了介电/半导体集成薄膜的界面结构。首先，本论文通过对AlGaN/GaN半导体上LN薄膜的组分调控规律研究，发现了Li空位对2DEG的俘获效应。根据该试验现象，首次研制出一种电荷俘获型LN/AlGaN/GaN原型器件，并揭示了其信息“读出”和“写入”的操作机理，拓展了AlGaN/GaN半导体的应用领域。测试结果表明：即使在较高温度条件下（300℃），该类器件的信息保持时间仍会超过10年。其次，通过在GaN表面沉积LN铁电薄膜，构建出LN/GaN集成结构，并对其电性能进行研究。研究结果表明：通过两种极化（GaN半导体的自发极化和LN薄膜的铁电极化）的耦合作用，该集成薄膜表现出明显的铁电极化调制效应。在此基础上，进一步设计出LN/AlGaN/GaN集成结构，深入探讨了铁电极化对二维电子气（2DEG）的调制作用。研究结果表明：在外加电场的作用下，LN薄膜的铁电极化发生反转，使2DEG的浓度增加（△ns），最大△ns约为7.36×1011/cm2，该特征在其它同类集成结构中尚未被发现和报道。再次，在无任何外加电场预极化处理的条件下，在LN/AlGaN/GaN集成结构中，利用AlGaN/GaN半导体表层Ga离子的诱导作用，使LN薄膜表现出择优取向铁电极化特征，该铁电极化对2DEG具有耗尽作用，这为研制GaN增强型场效应管器件提供了新的材料选择。随后，利用掩模层方法，解决了LN薄膜难以湿法刻蚀的困难，并利用铁电极化对2DEG的耗尽作用，首次研制出一种LN/AlGaN/GaN增强型场效应管器件，其开启电压可达到+1.0V。利用ZnO纳米层对界面的修饰作用，显著提高了器件的电性能，最大输出电流由97mA/mm增加到204mA/mm，最大跨导由27mS/mm增加到46mS/mm。该项研究内容为发展低功耗GaN逻辑电路提供了一种全新的方法。同时，将ZnO纳米层对集成结构的界面控制方法延伸到Si的异质结构中，形成了LN/ZnO/Si集成结构，所制备的LN薄膜具有单一C轴取向性。通过组分、结构与界面控制，首次发现了该集成结构的光电响应开关性能，并利用界面能带结构探讨了该性能的产生和影响机理。总之，通过对LN/GaN和LN/Si两类典型集成薄膜材料和器件的电学性质特征研究，本论文工作从追求单一材料性能极限的研究转移到集成结构的性能耦合领域，既为研制高密度、低功耗、多功能电子器件提供了新的材料选择，又为实现信息探测、传输和存储等多功能的单片集成发展了新的途径。