本发明提供一种氮化镓外延结构的制备方法，所述制备方法包括提供一碳化硅衬底，并对所述碳化硅衬底进行预处理；在预处理之后的所述碳化硅衬底上依次生长石墨烯薄膜、金刚石薄膜、三维的氮化铝缓冲层、氮化镓缓冲层、梯度组分的AlGaN势垒层及氮化镓帽层，其中三维的氮化铝缓冲层是先生长氮化铝多晶薄膜，再对所述氮化铝多晶薄膜进行退火处理使其生长成氮化铝单晶晶核，再在所述氮化铝单晶晶核的基础上继续生长三维氮化铝缓冲层。该方法采用石墨烯和金刚石作为快速热导层，薄的氮化镓缓冲层大大缩短了射频器件热量传输的距离，可以有效降低器件工作热阻，提高HEMT器件的工作效率。