基于铁电薄膜材料与半导体集成而发展起来的集成铁电学及相关器件研究是微电子技术、凝聚态物理和材料科学等学科的交叉前沿。第三代宽禁带半导体氮化镓（GaN）因其具有宽禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等诸多优良半导体特性而受到了广泛关注。其中,利用铁电栅替代传统介电栅构筑GaN基集成铁电结构,开发增强型GaN基高电子迁移率晶体管是重要研究方向。因此,铁电薄膜与GaN半导体的外延集成及器件的研究已成为国际学术界和产业界的研究热点。钛酸钡（BaTiO₃,BTO）作为一种性能优异的钙钛矿型无铅铁电材料,具有高介电常数和低介质损耗,是最具前景的场效应晶体管绝缘栅材料之一。近年来,锆掺杂氧化铪(Hf_0.5Zr_0.5O₂,HZO)被发现具有优异的铁电性,新型氧化铪基铁电材料以其良好的CMOS集成电路工艺兼容性、极薄的物理膜厚等独特物理特性为集成铁电器件的研究和应用带来了新的契机。然而铁电材料与GaN半导体集成面临不同的晶体结构、较大的晶格失配度以及不兼容的生长环境等诸多问题,难以实现高质量的外延集成。为此,本论文采取脉冲激光沉积（PLD）技术,引入合适的缓冲层,实现BTO和HZO铁电薄膜与GaN宽禁带半导体之间的高质量外延集成,研究BTO和HZO铁电薄膜在GaN表面的外延生长机制,阐释BTO和HZO外延薄膜的微观结构与电学性能之间的构效关系。具体研究内容和实验结果如下:1.在GaN衬底上设计并制备了结构简单且性能优异的SrTiO₃（STO）/TiN多功能双缓冲层,TiN同时作为底电极和缓冲层,显著降低了钙钛矿型BTO与纤锌矿型GaN之间的晶格失配,其晶格失配度由+12.5%明显降低至-2.5%,从而实现了钙钛矿型BTO铁电薄膜在纤锌矿型GaN半导体上的高质量外延集成。通过分析晶格匹配机制,BTO/STO/TiN/GaN异质结薄膜的外延关系为（111）[11?0]BTO//（111）[11?0]STO//（111）[11?0]TiN//（0002）[112?0]GaN。同时,在STO/TiN双缓冲层的作用下,BTO铁电薄膜的微观形貌得到了充分改善,极大的减小了BTO铁电薄膜的漏电流,集成于GaN半导体上的（111）BTO外延铁电薄膜具有优异的铁电特性（P_r=12.97μC/cm²）。2.利用TiN同时作为缓冲层和底电极,在（0002）GaN衬底上成功制备出了沿（111）方向高度取向的HZO薄膜,且HZO薄膜具有一定的铁电性。通过分析晶格匹配机制,HZO/TiN/GaN异质结薄膜的外延关系为（111）[11?0]HZO//（111）[11?0]TiN//（0002）[112?0]GaN。同时研究了不同沉积温度与氧分压对于HZO铁电薄膜外延生长与性能的影响规律。结果表明,高温高氧压有利于HZO外延薄膜的晶体结构,表面形貌和铁电性能。发现HZO薄膜的铁电极化对于AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气具有一定的调制效应。