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由于具有禁带宽度大、直接带隙、电子速率快、击穿场强高等优点,基于GaN基半导体材料的光电器件和微波器件已经在照明与显示、通信与雷达等领域发挥了巨大的作用。目前常规的GaN器件大都是基于Ga面GaN材料制备的,这是因为无论MOCVD还是MBE生长,Ga极性GaN材料更易可控生长,而且结晶质量、表面形貌等更为优越。但是,从材料性质来讲,与Ga极性面相比,N极性面GaN材料具有更为活跃的表面性质、与Ga面相反的极化方向、易形成更低电阻的欧姆接触等优势,在制备高性能的光电器件、探测器以及微波功率器件方面具备很大的潜力。本文基于MOCVD生长工艺,对不同衬底上N面GaN材料的生长机理、缺陷控制方法以及性质表征等进行了系统的研究。主要的研究工作和成果如下：(1)在C面蓝宝石衬底上,利用MOCVD工艺,通过采用衬底表面的深度氮化结合高Ⅴ/Ⅲ比的高温AlN成核层等方法,显著改变了生长初期衬底表面附近的化学势,成功生长出N面GaN材料,并基于化学腐蚀法证实了N面极性。AFM测试结果显示表面RMS粗糙度为3.31 nm,XRD测试结果显示螺位错密度为2.3×109cm-2,刃位错密度为5.3×109cm-2。(2)采用小角度斜切的C面蓝宝石衬底进行了N面GaN生长研究,首次发现了一种新的位错湮灭机制,即采用斜切衬底形成的GaN层错可以有效地抑制位错的延伸。通过充分利用该机制,结合生长工艺的优化,成功获得了具有高结晶质量、优良表面形貌和光学性质的N面GaN材料。通过斜切衬底与常规衬底(未斜切)上N面GaN外延材料的比较表明,(002)面摇摆曲线的半高宽由常规衬底的793 arcsec降低至斜切衬底的630 arcsec,(102)面摇摆曲线的半高宽由743 arcsec降低至626 arcsec,位错密度由2.2×109cm-2降低至1.2×109cm-2。所有测试结果均表明斜切衬底上生长的N面GaN表面具有更高的质量。通过TEM测试发现,斜切衬底N面GaN外延层中靠近成核层位置处出现层错阻挡位错向上延伸的现象,这是斜切衬底改善GaN结晶质量的主要原因。(3)深入研究了N面GaN材料中的C杂质结合问题,创新地提出了在N面GaN材料表面C杂质结合的化学模型,通过XPS测试证实了C-Ga化学键的存在,验证了所提模型的正确性,并揭示了N面GaN中表面形貌与C杂质结合的关联性,表面形貌越好,C杂质结合浓度越低,C杂质对应的黄带发光会大大抑制。通过对不同形貌N面GaN材料PL谱测试结果的比较,常规衬底上得到了N面GaN材料由于形貌较差,带边峰与黄带发光强度比IBEe/IYL为0.65,而斜切衬底上得到的N面GaN材料形貌好,IBE/IYL高达14.3,充分验证了C杂质结合模型的正确性。(4)提出了在SiC衬底通过控制高温A1N成核层生长的Ⅴ/Ⅲ比来改变GaN材料表面极性的方法,实验证实,当采用具有极高Ⅴ/Ⅲ比生长的高温A1N成核层时,能够有效控制生长表面的化学势,成功获得N面GaN材料。生长研究中发现,当高温A1N成核层Ⅴ/Ⅲ比从901提高至27026时,GaN外延材料的极性成功由Ga面转化为N面,样品表面RMS粗糙度从Ga面的0.96 nm变为N面的6.14nm,Peak-Valley起伏值由Ga面的6.4 nm变为N面的54nm,方块电阻由Ga面的高阻状态变为N面的低阻状态,表明Ga面和N面极性GaN材料存在显著的差异。(5)实验研究N面GaN样品中的O杂质含量与样品的生长温度之间的关系,发现了生长温度越低,O杂质结合率越高,并对其来源进行了解释。实验发现,GaN材料中O杂质的含量从生长温度为1050℃时的3.04×1018 cm-3升高至900℃时的3.15×1019cm-3。分析表明,N面GaN材料内部O杂质是由表面吸附O杂质而形成的,而不是由外延层内部向上扩散形成的。(6)基于第一性原理计算,系统研究了O杂质在Ga面和N面GaN材料中不同的结合特性,发现在不同极性面GaN中,O杂质的结合位置不同,而且随着O原子吸附浓度的变化,其表面吸附能也存在不同的变化规律。计算结果显示,对于Ga面GaN,O原子倾向于吸附在fcc位置；而对于N面GaN,O原子倾向于吸附在hcp位置。当O原子在GaN材料表面的覆盖率从0.25 ML不断升高至0.75 ML时,O原子在Ga面GaN的fcc位置的吸附能从-4.53 eV升高至-2.86 eV,而在N面GaN的hcp位置的吸附能从-3.35 eV降低至-3.86 eV。O原子在Ga面和N面GaN表面吸附能的完全相反的变化趋势表明N面GaN表面倾向于吸附更多的O原子。