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近二十多年来,以GaN为代表的III族氮化物半导体由于具有大禁带宽度、高极化强度、高击穿场强和高电子饱和速度等优点,在高频、高压和大功率电子器件应用领域有明显竞争优势。在III族氮化物半导体体系中,AlN的击穿场强近似是GaN的四倍,而AlGaN作为AlN与GaN构成的三元合金化合物,其禁带宽度随着Al组分的不同可以实现在3.45 eV到6.2 eV范围内调制,击穿场强高达3 MV/cm12 MV/cm。因此,采用AlGaN取代常规GaN作为异质结构的沟道层可以显著提升器件在高压和大功率方面的应用潜力。目前,国际上关于AlGaN沟道异质结外延生长及其HEMT器件的研究大多基于以高Al组份AlGaN为势垒的AlGaN/AlGaN异质结构。然而,对于AlGaN/AlGaN异质结构,通常需要较大的势垒层厚度来保证沟道内的高浓度2DEG,这会对后续器件的高频特性造成不利影响。此外,AlGaN/AlGaN异质结构的沟道层与势垒层均为三元合金化合物,其沟道内载流子所受合金无序散射严重,导致电学输运特性普遍较差。基于上述背景,本文提出采用超宽禁带AlN作为势垒层来进行AlGaN沟道异质结构制备,能够在保证沟道高浓度2DEG的基础上,进一步降低势垒层厚度,进而提升器件的频率特性。同时,采用AlN作为势垒层,能够有效缓解AlGaN沟道所受合金无序散射的影响,从而改善载流子的输运特性。本文重点从AlN/AlGaN异质结构设计、材料外延生长和HEMT器件制备等方面展开研究,主要工作内容如下:1.在蓝宝石衬底上采用缓变法生长AlN/Al0.18Ga0.82N异质结构,并细致研究了AlN势垒层厚度对AlN/Al0.18Ga0.82N异质结构的载流子输运特性及材料形貌的影响。结果表明,对于Al组分为18%的AlGaN沟道层,当AlN势垒层的厚度为2 nm时,外延材料呈现出良好的原子台阶形貌,同时异质结材料结晶质量和整体电学特性也达到最优,方块电阻达到1065Ω/□。2.在成功制备高质量AlN/AlGaN异质结构材料的基础上,成功研制了AlN/Al0.18Ga0.82N HEMT器件并结合材料特点对器件工艺进行了优化,优化后器件的源漏欧姆接触电阻达到4.03Ω·mm,肖特基反向漏电达到2.6×10-4 mA/mm,饱和输出电流密度高达421 mA/mm,关断状态下漏电流为0.22 mA/mm。当栅极和漏极间距为7μm、11μm和21μm时,器件击穿电压分别高达439 V、520 V和900 V,当栅极和漏极间距为51μm时,HEMT器件击穿电压超过2000 V,远优于常规GaN沟道HEMT器件结果。3.提出脉冲AlN插入层技术和GaN插入层技术在蓝宝石衬底上进行高质量AlN异质外延生长。AFM测试结果表明脉冲AlN插入层和GaN插入层有利于促进AlN外延材料的二维生长,能够显著提升材料表面形貌。在5×5μm2的扫描范围内,采用GaN插入层的AlN外延厚膜样品表面RMS低至0.155 nm,峰谷起伏差为1.7 nm。4.基于超宽禁带沟道异质结构需求,在AlN基板上分别采用突变和逆缓变技术对AlN/Al0.75Ga0.25N异质结构外延生长进行了研究。AFM测试结果表明,通过引入AlxGa1-xN（x>0.75）缓冲层可以有效缓解Al0.75Ga0.25N沟道层与AlN缓冲层的晶格失配,显著提升材料结晶质量和表面形貌,本结果对于实现超宽禁带沟道异质结构的制备具有指导意义。