GaN及其相关氮化物作为高压、高频器件的关键材料，归因于它们具有宽禁带、高电子饱和速度和高击穿场强。与Si相比，GaN的禁带宽度是其三倍多，击穿场强是其十倍，电子饱和速度达到2.7×10~7cm/s；因此随着GaN材料生长逐渐成熟，AlGaN/GaN HEMT微波功率器件和功率开关器件得到了快速的发展。另一方面，AlN作为另一种宽禁带半导体具有更大的禁带宽度，约是GaN的2倍，理论上击穿电场可以达到12MV/cm。因此作为GaN和AlN合金的AlGaN材料在功率器件方面具有很大的潜力。采用AlGaN代替GaN作为氮化物HEMT的沟道层，不仅可以提高器件的击穿电压，还可以提高器件高温下的稳定性。尽管有上述这些优点，但是生长高质量的AlGaN材料比较难，尤其是生长高Al组分的AlGaN材料，所以相关AlGaN沟道HEMTs的报道相当地少。目前一些研究者采用在AlN衬底上外延AlGaN沟道HEMTs，来提高AlGaN沟道异质结材料的结晶质量和电学特性，很少有从材料的生长条件和结构出发来研究AlGaN沟道异质结材料。本论文在此背景下，采用廉价的蓝宝石衬底，对AlGaN沟道异质结材料生长、结构优化及其器件制备进行了理论和实验两方面的研究，主要研究成果如下：1.首先从氮化物异质结的理论研究入手，通过一维薛定谔/泊松方程自洽求解，模拟研究了多种AlGaN沟道单、双异质结构中的能带分布和载流子分布特性。分析了不同结构对载流子分布的影响，其结果对实验研究起到了指导作用。2.改变AlGaN沟道材料生长温度，研究生长温度对材料特性的影响，找到更适合于AlGaN沟道异质材料的生长温度。研究表明，适当的提高生长温度有利于材料的结晶质量和电学特性。同时，本文还通过采用双缓冲层和引入插入层对材料的结构进行了优化，得到了较高质量和较好电学特性的AlGaN沟道材料。3.理论仿真分析高温下背势垒Al组分对双异质结构的影响。采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上外延不同Al组分背势垒结构的双异质结，通过多种表征手段对其材料进行对比分析。结果表明，背势垒Al组分升高，会使材料质量变差，载流子面密度降低，但是对迁移率影响不大。4.模拟仿真高温下不同Al组分沟道层的双异质结，对比分析它们高温特性。并采用MOCVD在蓝宝石衬底上生长不同Al组分沟道层的双异质结，测试并对比分析沟道层Al组分对材料特性的影响。分析认为，沟道层Al组分的改变对载流子的迁移率和面密度影响都很大，而且随着其逐渐升高，影响是负面的。5.本文通过器件制造和测试，对AlGaN沟道异质HEMT器件的欧姆接触、直流输出特性、转移特性、击穿特性及电流崩塌效应进行了研究。结果表明，源/漏欧姆接触良好，但是由于AlGaN沟道异质材料的势垒层Al组分较高，欧姆接触电阻相对较大。在相同条件下，该器件的输出电流小于常规的GaN单异质结HEMTs器件的输出电流，其跨导也相对较小，认为这与AlGaN沟道异质材料本身的迁移率较小相关。该器件的击穿特性与常规的异质结器件并没有太大的差别，这因材料的结晶质量不高，致使发生源漏击穿，并没能充分体现出AlGaN沟道器件高击穿的特性。另外，器件的动态IV测试表明，AlGaN沟道异质结器件可以有效地抑制电流崩塌效应。