Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体正在引发一场新的电子信息技术革命,无论是低功耗逻辑器件、高频率射频应用、高亮度半导体照明还是电力电子换流电路,都对Ⅲ-Ⅴ族晶体管具有巨大的需求。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料不存在如硅一样的高质量本征氧化物,表面钝化后存在高密度的缺陷态,导致器件性能无法达到预期。因此,需要通过优化钝化层来实现高性能的Ⅲ-Ⅴ族电子器件。为了实现Ⅲ-Ⅴ族化合物在不同领域中的应用,本论文基于原子层沉积高κ栅介质,实现高质量的Ⅲ-Ⅴ族晶体管。通过常温和低温输运特性研究,深入剖析高κ栅介质对Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体管性能的影响,并着重研究高κ栅介质与Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体间的界面缺陷,及其与沟道载流子输运之间的关联。砷化镓作为最早开始进行研究并在微波领域实现应用的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体之一,其表面钝化问题一直备受关注。为了降低砷化镓表面缺陷,本论文着重研究利用原子层沉积在砷化镓表面外延生长氧化镧,并探究其在金属氧化物半导体场效应晶体管的作用。首次在低温下对氧化镧/砷化镓界面特性及晶体管输运特性进行研究,阐释了界面缺陷的降低将会提升晶体管载流子迁移率。之后针对氧化镧/砷化镓晶体管,建立了电导法模型,利用该模型从实验上提取了表面缺陷态密度的能级分布以及半导体内表面费米能级移动的位置和效率。最后,提出了传输线模型以完善长沟道晶体管内缺陷模型,并进一步验证了电导法模型的实验结果。通过高κ栅介质在砷化镓上实现低界面缺陷的有效钝化后,本文进一步研究Ⅲ-Ⅴ半导体中已经在变换器中实现大量应用的铝镓氮/氮化镓异质结,并利用原子层沉积不同高κ栅介质对其表面实现有效钝化。Ⅲ-Ⅴ化合物半导体中氮化镓具有3.4 eV的宽禁带,并且与铝镓氮形成的异质结具有极高迁移率,因此.,铝镓氮/氮化镓异质结能成为未来高效高功率电子器件的核心半导体材料。针对铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率晶体管在功率电子中的应用,本文对比研究不同高κ栅介质对晶体管转移、输出、击穿、电流坍塌以及噪声特性的影响,并解释界面缺陷在其中的作用。本论文首次提出了铪硅氧作为栅介质的铝镓氮/氮化镓金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管,实现了高性能功率开关器件。同时利用铪镧氧作为栅介质钝化铝镓氮/氮化镓异质结,相比于没有钝化的高电子迁移率晶体管,导通电阻降低了一半。由于铝镓氮/氮化镓异质结中二维电子气常开,为了实现在电力电子领域中可靠运行,必须提高器件阈值电压,实现常闭型器件。然而,传统的通过栅极下方刻蚀凹槽实现常闭运行的方法会引入大量刻蚀缺陷,降低器件性能。本文中,通过在凹槽栅刻蚀后沉积高k铪硅氧,降低了刻蚀表面缺陷,提升了阈值电压。同时通过优化刻蚀时间,实现阈值电压、导通电阻以及击穿电场的权衡。由于凹槽刻蚀深度难以控制,本论文又针对P型栅极注入型铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率晶体管,提出了选择性刻蚀出P型栅的工艺方法。本论文提出的两种方法均能最终实现具有正阈值电压的增强型器件。在高密度集成电路快速发展的驱使下,Ⅲ-Ⅴ族晶体管的尺寸逐渐缩短,短沟道效应不断加剧,利用环栅型纳米线晶体管制备的短沟道器件能够提升栅极控制能力,抑制短沟道效应。针对Ⅲ-Ⅴ族铟镓砷所制备的环栅纳米线的结构特点,本文利用原子层沉积高k氧化铝,对铟镓砷纳米线进行全角度的介质钝化。针对短沟道器件1.7 nm等效氧化层厚度的栅介质氧化铝,对比分析不同漏电模型,提出了栅极漏电符合欧姆规律。此外,通过低温输运表征揭示了低温下界面缺陷密度与器件开关特性的关联,提出了关态漏电的来源。最后,讨论了短沟道器件的弹道输运的特点以及短沟道效应。铟镓砷环栅型纳米线晶体管除了能在高速逻辑器件中实现应用,充分利用超短沟道纳米线结构特点也能实现新型磁阻器件,并与传统CMOS工艺相兼容。当在纳米线水平方向施加足够大电场时,沟道中的热载流子将电离中性粒子,并产生碰撞电离。通过在垂直方向施加磁场能够抑制碰撞电离的概率,并产生磁阻效应。本文首次提出利用纳米线的碰撞电离,实现了超高灵敏度、对称性以及可重复的磁阻器件。针对其三端晶体管器件特性,研究水平电场和垂直电压对磁阻大小调控的机理。并针对耗尽区和反型区,提出了不同的碰撞电离产生的原理。此外,本论文深入分析温度对界面缺陷以及碰撞电离的影响。最后,对磁阻器件的可重复性进行了验证,并解释了负微分电阻效应产生的原因。