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氮化镓(GaN)半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高等诸多优点，因此，GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在功率转换和微波射频领域具有重要应用前景。其中，基于四元合金AlInGaN势垒层的HEMT兼具低导通电阻、弱短沟道效应等特色，故在高压、高频领域均有应用价值。本论文围绕AlInGaN/GaNHEMT的材料外延生长、器件工艺制备、栅极漏电物理机制等关键问题开展了较为深入的研究。主要工作内容包括: 1.系统研究了AlInGaN/AlN/GaN异质结的MOCVD外延生长，包括Si基GaN高质量外延生长以及基于四元合金势垒层的异质结生长。通过XRD、TEM、Hall等测试表征手段，分别研究了AlInGaN势垒层的生长温度、速率、压力以及Ga组分对势垒层表面形貌、二维电子气(2-Dimensional electron gas，2DEG)特性等的影响。研究发现:随着势垒层生长温度的升高，In组分随之减低，AlInGaN/GaN异质结表面缺陷密度显著下降;随着生长速率的增大，In组分随之升高，表面小孔增多;随着Ga组分的增加，2DEG浓度随之减小。综合上述结果，在较高温度、较低速率、中等Ga组分的生长条件下，获得了高质量的AlInGaN四元合金势垒层材料。 2.深入研究了AlInGaN/AlN/GaN异质结构中AlN插入层Ga的非故意并入及其抑制方法。本文通过将异质结构的外延生长终止在AlN插入层表面，在氨气的保护下降温观察表面形貌的实验，证实了1nm厚的AlN插入层并没有均匀地覆盖在GaN沟道层表面。未被AlN覆盖完全的GaN沟道层在降温过程中会发生分解，导致表面形成坑状的粗糙形貌。进一步通过对AlN/GaN多层结构的TEM表征分析，发现“AlN”插入层中存在非故意并入Ga推测Ga的主要来源是下层GaN的分解。通过调控“AlN”插入层的生长工艺，有效抑制了下层GaN的分解，显著降低了非故意并入的Ga组分，获得了高质量的异质结界面，有效减小了界面粗糙和合金结构对2DEG的散射，从而显著提高了2DEG迁移率。 3.基于AlInGaN/AlN/GaN异质结开展了HEMT器件工艺研究，并与传统的AlGaN/AlN/GaN HEMT进行了对比分析。结果表明:AlInGaN/AlN/GaN HEMT的导通电阻为AlGaN/AlN/GaN HEMT的一半，说明AlInGaN势垒层能够诱导更高浓度的2DEG，方阻更小，然而栅极漏电比AlGaN势垒层大两个数量级。借助LPCVD沉积的SiNx作为栅介质，成功将AlInGaN/AlN/GaN HEMT的栅极漏电减小了三个数量级，开关比达到108，与AlGaN/AlN/GaN HEMT水平相当。 4.通过对HEMT器件进行栅极漏电的变温测试，依据低场Poole-Frenkel Emission模型和高场Fowler-Nordheim Tunneling模型深入分析了基于三种不同势垒层(AlInN，AlGaN，AlInGaN)的GaN基HEMT的栅极漏电机制。论文提出并成功实现了AlInGaN/AlGaN/GaN复合势垒层的外延结构，上层势垒层AlInGaN用于产生高的极化电场，诱导出更高浓度的2DEG，下层势垒层AlGaN可有效抑制栅极漏电，成功将栅极漏电降低了两个数量级。 5.为实现较高的截止频率，通常要求射频器件的栅长尽可能小。在栅长减小的同时，为避免短沟道效应，需要采用超薄势垒层，例如高Al组分的AlGaN。然而，由于高Al组分的AlGaN势垒层存在组分不均匀、局部应力过大等问题，会导致应力弛豫，在异质结表面诱导出现微型槽(groove)结构，从而严重影响2DEG特性和器件性能。针对此问题，本文通过在高Al组分AlGaN势垒层的生长过程中通入少量的In，提升Al原子在生长表面的迁移能力，从而改善了组分均匀性，有效减小了局部应力，成功生长出高质量的高Al组分AlInGaN势垒层。基于该AlInGaN/AlN/GaN异质结开展了HEMT射频器件工艺研究，成功研制出55nmT型栅高频微波器件，器件导通电阻为1.6Ω·mm，输出电流为1.25A/mm，跨导为420mS/mm。器件频率特性方面，电流增益截止频率fT达到145GHz，功率增益截至频率fMax达到220GHz，综合频率(fT·fmax)1/2=178GHz，为已报道硅基GaN射频微波器件的最高水平。