GaN基宽禁带半导体是目前发展高温、高频、大功率电子器件的最重要也是最基本的材料,深受国际上的关注。因此,GaN和AlxGa,-xN/GaN异质结构材料的研究已成为当前半导体科学技术的前沿领域和热点。本文结合GaN基异质结材料的MOCVD生长,系统地研究了采用低温成核层的6aN背景载流子产生机理,研究了Fe掺杂对AlGaN/GaN的影响。同时研究了基于高温A1N成核层的AlGaN/GaN异质结材料的特性以及新型异质结材料生长。本文主要的工作为：(1)采用低温GaN成核层在蓝宝石衬底上进行了高质量GaN单晶外延薄膜材料的生长研究。研究了成核层表面形貌对GaN外延层表面质量、晶体质量以及AlGaN/GaN异质结电学特性的影响,研制出高质量的GaN外延层以及AlGaN/GaN异质结材料,研究和揭示了成核层的表面形貌对GaN外延层结晶质量影响的物理机制。研究了高温GaN外延层的生长温度和厚度对GaN外延层表面形貌和结晶质量的影响,并对其物理机制进行了探讨。研究了衬底斜切角度对GaN异质结构材料晶体质量、表面形貌以及电学性能的影响,研究发现适度的衬底斜切可以显著改善异质结材料的表面形貌,使得界面粗糙度大幅下降,可显著提高了异质结材料的载流子迁移率。(2)针对蓝宝石衬底GaN外延层中背景载流子的形成机制和降低背景载流子的方法进行了深入研究。通过对不同成核层上生长的GaN外延层进行杂质元素分析,发现不同的工艺条件会对杂质C和O原子浓度产生显著影响。重点研究了在GaN外延层中进行有意的Fe杂质掺杂,利用Fe杂质的受主陷阱效应降低背景载流子,通过工艺优化实现了较高电阻率的GaN外延层,同时分析Fe掺杂对AlGaN/GaN异质结性能的影响,通过层结构设计与工艺优化避免了Fe杂质记忆效应对GaN异质结构材料电学特性的不利影响,最终获得具有较高电阻率和较高电学特性的GaN异质结材料。(3)在蓝宝石衬底上,采用独特的高温A1N成核层进行GaN外延材料的生长,深入研究了高温A1N成核层生长条件对AlGaN/GaN异质结材料的影响。采用创新的间歇供氨生长方法,实现了蓝宝石衬底上高质量A1N模板的直接生长,进而在此基础上获得了具有高电学特性的AlGaN/GaN异质结材料。深入研究了高温A1N成核层上高质量GaN外延层的生长机制,利用AFM对高温A1N的表面分析发现,直接生长于蓝宝石衬底上的高温A1N模板表面是由密度极高的锥形结构构成,生长于其上的GaN首先在锥形的侧面进行横向外延,从而降低了GaN的位错密度。(4)针对毫米波GaN功率器件需要,深入研究了薄势垒层AlGaN/GaN异质结构材料和GaN双异质结构材料的设计与生长方法。通过优化A1N插入层,实现了高电特性的薄势垒层AlGaN/GaN异质结。通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程,对多种GaN基双异质结构进行了理论仿真与结构设计,在此基础上生长了具有不同背势垒层结构的AlGaN/GaN双异质结材料,并通过优化生长工艺,实现了无寄生沟道的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双异质结材料。