由于其宽带隙、高电子漂移速度、高临界击穿电场强度、强自发极化及压电极化等突出优点，GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在制作高频、高功率、抗辐射等电子器件方面具有得天独厚的优势。近些年来，随着材料质量的提高和器件工艺的不断发展，AlGaN/GaN常规异质结构材料与器件的性能已经取得了很大进步，但仍然存在缺陷，如二维电子气(2DEG)限域性差、缓冲层漏电较大、高漏压下夹断特性较差等。为了满足国防电子通讯应用领域和飞速发展的移动通信领域的需求，提出了AlGaN/GaN双异质结构HEMTs器件。在AlGaN/GaN双异质结构中，沟道下方背势垒的存在使得二维电子气的限域性显著提高，从而进一步减小缓冲层漏电、提高器件的击穿特性、关断特性和功率特性，更适合应用于高温、高压的恶劣环境下。本文即在此背景下对AlGaN/GaN双异质结构材料生长、结构优化及器件制造等内容从理论与实验两方面展开了深入的研究。主要工作如下：1.使用1D Poisson仿真软件，通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程对AlGaN/GaN/AlGaN/GaN (AlGaN背势垒结构)、AlGaN/GaN/AlGaN (AlGaN缓冲层结构)、AlGaN/InGaN/GaN (InGaN沟道层结构)、AlGaN/GaN/InGaN/GaN (InGaN背势垒结构)四种GaN基双异质结构的能带结构和载流子分布进行模拟仿真，分析各种结构的机理和优缺点。2.通过三种优化方式成功外延出2DEG迁移率达到1862cm~2/Vs的AlGaN/GaN/AlGaN双异质结材料，创新性地提出采用GaN缓冲层和AlGaN缓冲层相结合的复合缓冲层结构，实现了在GaN沟道层和AlGaN缓冲层之间插入AlN层来降低合金无序散射，并通过提高沟道层厚度来降低界面粗糙度散射对迁移率的不利影响。对常规异质结样品和四种双异质结样品进行变温霍尔效应测试，得到双异质结材料具有更好的高温输运特性，温度为573K时的电子迁移率达到了478cm~2/Vs，远高于常规单异质结构材料的高温电子迁移率(~200cm~2/Vs@T=573K)。3.研制出了AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMTs器件，通过直流测试发现，双异质结HEMTs器件的漏极电流密度和和阈值电压|Vth|均小于常规异质结HEMTs，这是由于双异质结材料的2DEG面密度较低。但是，由于载流子限域性提高，双异质结HEMTs器件也表现出众多优越特性，如关态漏电比单异质结器件小了大约两个数量级，在不同漏压下的阈值电压漂移量和亚阈斜率S也更小，击穿电压是常规单异质结HEMTs器件的两倍。4.测试了双异质结器件在电应力下的退化情况，由于热电子注入效应，常规单异质结与双异质结HEMTs器件均发生退化，但是双异质结HEMTs器件退化明显减弱，尤其是关态漏电和阈值电压。另外，双异质结HEMTs器件表现出良好的功率特性，其大信号增益明显高于常规单异质结器件。该器件最大输出功率密度为7.78W/mm，最大功率附加效率(PAE)达到了62.3%。总的来说，由于AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构载流子限域性的提高，使其在材料和器件特性方面都表现出了优越的性能，更适合于高压、高频、高功率的应用场合。