由于宽的禁带宽度（3.39 eV）和高的击穿电场,作为第三代化合物半导体的代表,氮化镓（GaN）在高功率和高频器件上已经显示出巨大的应用潜力;同时三（四）元氮化物合金的禁带宽度随着组分的变化是可以连续调节的,T=300 K情况下可以从0.7 eV变化到6.2 eV,从而覆盖了整个可见光光谱并延伸到了深紫外波段。目前GaN材料已在半导体工业体系中扮演着举足轻重的作用。高质量GaN薄膜的制备在GaN工艺环节中是极为重要的一个环节,高质量GaN薄膜可以为后续提升GaN基器件性能乃至集成电路功能实现奠定良好基础。但是目前GaN体材料不仅价格昂贵而且尺寸较小,因而主要通过在其他衬底上以异质外延方式生长单晶GaN薄膜。由于异质衬底和外延层之间不可避免存在晶格失配以及热失配,生长出来的GaN薄膜上仍然存在着大量的材料缺陷,从而极大地限制了GaN在电子和光电器件领域的应用。这一问题仍制约着GaN材料体系的进一步发展,是GaN材料体系发展的瓶颈所在。这主要是因为外延生长GaN薄膜的一些机理性问题尚存争议,很多GaN材料生长过程中出现的相应问题的根本原因尚不明朗。本文分别采用蓝宝石（Al₂O₃）和氧化镓（Ga₂O₃）两种衬底异质外延GaN薄膜,制备了高质量的GaN薄膜,并深入研究GaN薄膜生长中的机理性问题。研究结果如下:1.目前GaN异质外延最常用的衬底材料之一是Al₂O₃衬底。基于Al₂O₃衬底外延GaN薄膜现有工艺已经相对成熟,但是载气在生长过程中的具体作用尚未得到深入研究。相较于目前普遍采用的单一载气（H₂或者N₂）,本文提出了在成核层阶段使用N₂,高温缓冲层使用H₂作为载气进行外延生长GaN薄膜,有效地提高了GaN薄膜的晶体质量。同时发现,在纯N₂作为载气时,低温成核阶段以后几乎没有经历粗化过程,这将导致GaN薄膜表面圆锥形和雪花状突起等特殊形貌的出现。2.图形衬底技术被认为是有效降低位错密度的最实用的方法之一。显然,图形衬底尺寸的设计已成为该技术的关键问题。分别基于纳米图形衬底（NPSS）,微米图形衬底（MPSS）和普通蓝宝石平片衬底（CSS）外延生长Al GaN/GaN异质结构。实验结果表明位错在横向生长期间会发生弯曲和湮灭,这一过程是位错降低的主要原因。与NPSS和CSS相比,MPSS将更利于这一过程。因而相较于NPSS和CSS,在MPSS上生长的异质结构具有最低的位错密度和最佳的晶体质量,并导致其最高的载流子迁移率。3.Ga₂O₃衬底作近年来成为外延GaN薄膜的一个重要候选材料,并吸引了广泛的关注。相较于Si C或GaN,β-Ga₂O₃的E_g=4.8 eV,更宽禁带非常有希望实现很高的击穿电压,因而基于β-Ga₂O₃的高压整流器和增强型金属氧化物场效应晶体管的性能更优,有望在下一代功率器件中脱颖而出。同时在光电领域β-Ga₂O₃作为衬底,兼容了GaN基LED目前常采用的两种衬底的优势,即蓝宝石的可见光透明性和SiC的导电性。基于以上两点,我们基于Ga₂O₃衬底外延GaN薄膜进行了一定的研究,研究进展如下:在H₂气氛中对β-Ga₂O₃衬底使用不同温度进行退火处理,证明了H₂在600℃以上均会对β-Ga₂O₃衬底进行方向性刻蚀,因而在利用MOCVD方法基于β-Ga₂O₃衬底外延GaN薄膜时,低温成核阶段尽量避免使用H₂。后续在β-Ga₂O₃衬底生长Al N成核层后外延生长GaN薄膜,实验结果表明基于Al N成核层外延GaN时,GaN不易成膜,更多以颗粒状晶体形式存在。基于GaN成核层外延生长,成功制备出了GaN单晶薄膜;同时发现了基于β-Ga₂O₃衬底外延制备的GaN薄膜表面几乎无应力,易于剥离,这为后续制备垂直器件提供极大的便利,也是目前Ga₂O₃衬底相较于其他衬底最大的优势所在。