毫米波具有波长短、频带宽和波束窄等优势,可大幅提高雷达的探测精度和通信的数据容量,提供更多互不干扰的通道。此外,毫米波频段（30-300 GHz）的频谱吸收和衰减也有很大的带宽,为高精度雷达隐蔽工作和大容量保密通信提供了条件,毫米波技术已成为提高下一代武器系统作战能力的重要手段,同时毫米波也是5 G通讯的应用频段。因此,毫米波的研究具有重要的军事应用价值和产业应用价值。在90 GHz以上频段,传统的砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）半导体受自身材料特性限制,芯片输出功率很难达到瓦级以上,大大限制了高频毫米波装备和通讯技术的发展与应用。作为第三代半导体材料的典型代表,氮化镓（GaN）材料具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿场强、更高的载流子饱和速度等优良特性,氮化镓基微波功率器件的输出功率密度是GaAs的10倍以上,可以在W频段（75-110 GHz）实现瓦级以上功率输出,能够满足雷达、卫星通讯、信息通信和电子对抗等对毫米波大功率器件的需求,在军用和民用领域具有广阔重要的应用前景,受到了世界各国的高度重视。尽管国内外研究机构在90 GHz以上频段氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）和单片微波集成电路（MMIC）功率放大器方面已经开展了一些研究工作,但仍处于起步阶段,还有很多科学问题和技术难点需要深入研究和突破;开展90 GHz以上氮化镓功率器件关键技术研究具有重要的科研价值和工程意义。本论文针对90 GHz以上氮化镓功率器件关键技术开展相关基础研究,主要研究内容及结论包括:（1）建立了GaN HEMT的物理仿真模型,仿真分析了AlGaN/GaN HEMT中材料与器件结构参数对器件频率、功率和热特性的影响,确定了实现90 GHz以上频段工作的材料和器件结构参数优值;同时仿真分析了新型InAlN/GaN HEMT中材料与器件结构参数对器件频率的影响,确定了材料和器件结构参数优值范围,指导器件频率特性提升。（2）开展了氮化镓异质结材料外延和高频器件的关键工艺技术研究,重点突破了再生长n+GaN非合金低欧姆接触制备、高致密钝化与双T型栅制备和40纳米T型栅制备等关键技术,为高频器件研制奠定了有利基础。通过优化刻蚀与再生长n+GaN工艺,实现了电阻值仅为0.05Ω·mm的非合金欧姆接触,该值是采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法得到的国际已报道最小值;采用高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）设备淀积高致密SiN介质,有效抑制表面态对电子的俘获,相比于传统等离子体化学气相沉积（PECVD）钝化,器件电流崩塌量降低15倍,并结合反应离子刻蚀（RIE）工艺,实现了双T型栅制备,有效降低寄生栅电容和寄生栅电阻,提升了器件频率特性;选用两种特殊光刻胶利用其不相溶原理及不能被同一种显影液显影的特殊属性,采用两次曝光两次显影技术,有效地抑制电子束曝光过程中的临近效应,实现了栅长仅为40纳米的T型栅制备。（3）结合材料器件结构优化设计以及关键器件工艺的突破,研制出高频AlGaN/GaN HEMT,最大振荡频率(fmax)达到205 GHz,满足了90 GHz以上频段工作功率放大器的需求;同时基于新型超薄势垒InAlN/GaN异质结材料,通过缩小有效源漏间距至600 nm,并结合40 nm T型栅,研制出最大振荡频率(fmax)为405 GHz的InAlN/GaN HEMT,该值为InAlN/GaN HEMT国际已报道最高值;此外,采用34 nm直栅工艺,研制出电流截止频率（fT）为350 GHz的InAlN/GaN HEMT,该值为GaN HEMT国内已报道最高值。（4）基于研制的AlGaN/GaN高频HEMT,设计并制备出90-96 GHz Al-GaN/GaN MMIC功率放大器芯片。研制的GaN MMIC功率放大器芯片在90-96GHz频率范围内饱和输出功率均超过2 W,其中91 GHz频点下饱和输出功率达到3 W;同时,红外热阻测试表明MMIC芯片有源区无异常高温点或热斑,器件表面温度分布均匀,可实现工程高可靠应用。