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作为第三代半导体材料的代表，GaN材料具有宽禁带，高电子迁移饱和速度，高导热性等优良特点。本身具有的强自发和压电极化效应能在AlGaN/GaN异质结中诱导出面密度高达1013 cm-2的二维电子气(2DEG)，这种优异的2DEG输运性能使得基于AlGaN/GaN异质结构材料体系研制的GaN基功率电子器件具有高击穿电压、高工作频率、高电流输出能力以及耐高温等优点，是下一代高效功率电子技术的强有力竞争者。鉴于GaN自支撑衬底价格及其昂贵且尺寸偏小，目前主要采取异质外延的方法获得GaN薄膜，如SiC、Al2O3和Si(111)衬底。其中，在Si衬底上MOCVD生长GaN，可以兼容大尺寸晶圆，有望与Si基CMOS技术集成从而降低成本，因此近几年来成为研究热点。然而由于GaN和Si衬底之间大的热失配和晶格失配，在Si衬底上获得高质量的GaN较为困难，阻碍Si基GaN应用的发展。此外，基于AlGaN/GaN异质结构制备的横向高电子迁移率晶体管是目前GaN基功率电子器件的主要结构，经过十余年的发展性能得到显著提升，但依然面临一些器件性能和可靠性的问题，例如Si基CMOS兼容的低电阻无金欧姆接触，高密度界面态，深能级导致的动态电流崩塌等。 本研究主要内容包括：⑴通过改变Ⅴ/Ⅲ比、温度、气压和H2载气流量，研究了AlN生长速度的变化。随着Ⅴ/Ⅲ比、温度和气压的增大，AlN生长速度不断降低;随着H2载气流量的增加，生长速度线性增加，结合仿真发现较低的Ⅴ/Ⅲ比、温度和气压以及较大的H2载气流量可以抑制TMAl和NH3的气相副反应，减少反应气源的消耗，促进了衬底表面晶体生长。此外，AFM检测结果显示抑制副反应的同时还可以促进AlN成核层表面形貌的优化。通过引入低温AlN对Si衬底表面的保护作用，高质量、高平整度的高温AlN成核层得以实现。基于对AlN成核层的研究，AlGaN生长速度在不同Ⅴ/Ⅲ比和H2载气流量条件下的变化趋势得到解释，对提高缓冲层的生长效率以及晶体质量有很大的帮助。⑵通过引入低温AlN插入层进行外延层应力调制，实现了在8英寸硅衬底上无裂纹GaN生长，XRD和AFM检测结果表明材料具有较好的晶格质量和表面形貌。同时验证了MOCVD机台在4寸蓝宝石衬底上同一生长批次下的HEMT器件优良性能和均匀性，以及优异的工艺稳定性，为后期器件工作研究的对比研究提供了保障，也为GaN基电力电子器件的工业化提供了出色的材料基础。⑶在外延衬底上对无金欧姆接触工艺进行了研究。分别对Ti/Al/Ti/TiN和Ti/TiN金属体系进行退火和表征，分析发现在未经过AlGaN势垒层刻蚀的条件下即使采用长时间的高温退火工艺也很难实现低阻值的欧姆接触。通过改变刻蚀时长研究了不同AlGaN势垒层厚度厚度上Ti/Al/Ti/W金属体系的欧姆接触表现，结合TEM表征结果和载流子输运机理的理论计算发现过厚的势垒层不利于电子的隧穿，而过度刻蚀则会导致2DEG沟道和欧姆金属之间的接触面过小同样不利于电子的隧穿。⑷针对MIS-HEMT器件阈值电压不稳定性问题，对Al2O3和SiNx两种常用的栅介质进行了研究，使用优化的工艺进行材料生长，采用电导法和CV法分别对栅介质/GaN的界面态进行了定量的表征。实验发现基于O3生长的Al2O3具有良好的热稳定性，对栅漏电有良好的抑制作用，退火温度在一定范围内对界面态的影响不大，但过高会引入边界缺陷。同时，基于LPCVD生长的SiNx运用于GaN基MIS二极管器件表现了良好的绝缘特性和介质耐压特性，对于栅介质/GaN之间的界面态抑制也有优良的表现，需要注意的是，由于化学计量比偏离导致的体缺陷的出现，是后续研究的重点。⑸探讨了AlGaN/GaN基MIS-HEMT器件的相关物理问题和技术难点，制备了基于LPCVD-SiNx作为栅介质和钝化层的MIS-HEMT器件，采用I-V、C-V、DLTS、XPS、TEM等方法，对LPCVD-SiNx基MIS-HEMT器件的击穿特性、栅介质/AlGaN势垒层之间的界面态和固定电荷、电流崩塌效应进行了表征。分析发现，基于LPCVD-SiNx制作的MIS-HEMT器件具有良好的直流输出特性和较低的关态漏电，但存在于外延层中较深的体缺陷影响了器件的动态性能。