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半导体技术的不断发展引领了人们的信息化进程,以III-V族GaN材料为代表的第三代半导体因其优异的光电特性催生了人们的研究热潮,并在大功率、高温、高频、高速和光电集成等方面已展现出应用优势。因此,进一步研究和发展GaN材料在电子、光电子等领域的应用被认为是占领光电信息领域的战略制高点,也是第三代半导体材料与器件研究的关键。传统GaN基电学器件的制备均是基于绝缘的Al2O3衬底,相比之下,Si基GaN电学器件在实现器件集成方面更具优势。然而,Si与GaN材料之间较大的晶格失配和热失配严重限制了器件性能的提升。硅纳米孔柱阵列（Silicon Nanoporous Pillar Array,Si-NPA）是一种具有特殊形貌结构的多孔硅,在微/纳米尺度上具有三重层次的结构特征,其特殊的形貌结构及物理化学特性使得其成为制备硅基功能性纳米复合体系的理想衬底。本文中,我们以Si-NPA为功能性衬底,采用化学气相沉积技术（CVD）制备GaN/Si-NPA纳米异质结构,系统调查了生长参数对GaN/Si-NPA形貌、结构和光学特征的影响,研究了GaN/Si-NPA结构的气体传感特性,并进一步通过构建光电导型探测器和光伏型探测器,探索了GaN/Si-NPA结构对紫外光的探测能力。主要研究成果如下:1、系统研究了生长工艺参数对GaN/Si-NPA异质结构光学、形貌和结晶特性的影响:GaN的生长符合气-液-固生长机制,在金属Ga的饱和蒸气压不高的情况下,金属Pt能够实现Ga源的富集,进而通过与N源的反应逐渐成核长大;实验发现,生长温度改变（850℃、900℃、950℃）对GaN/Si-NPA结构的发光特征影响很小,光致荧光（PL）谱以蓝光和红光发射为主;相比之下,反应压强对GaN/Si-NPA结构的影响更大,在500 Pa时样品出现了一个较强的紫外发光峰,对应于GaN材料的本征近带边发光;氨气流量同样对GaN/Si-NPA结构的光学特性影响很大,在不同流量（5、10、15 sccm）下均出现了位于380 nm的近紫外峰、430 nm处的蓝光峰以及630 nm处的红光峰,但氨气流量对每个峰位的强度影响很大,可以明显看出红光峰的强度随着氨气流量的增加而增加。除此之外,我们还系统分析了生长工艺参数对样品形貌和结晶特性的影响,并对其规律性进行了细致分析。最终,我们通过变温的PL测试对GaN/Si-NPA的光学特性进行系统调查,分析了带边发光和深能级发光随测试温度的依赖关系。对于低温环境下出现的位于390 nm附近的肩峰,我们将其归结为两种不同类型的施主束缚激子发光,并拟合分析了其在热猝灭过程中的活化能;针对带边发光随温度的强度变化关系,我们拟合出了GaN材料的激子束缚能,其值约为27.9±0.2 meV。2、利用CVD生长的GaN/Si-NPA纳米异质结构,我们成功制备出一种电阻型的气敏传感器原型器件。由于该纳米异质结构具有非常大的比表面积以及较高的表面活性态,对常规气体均有响应。通过在相同条件下的对比性实验,我们发现该传感器对甲醇的响应能力最佳,这可能是由于甲醇气体相对分子质量较小的缘故。实验发现,该传感器对甲醇气体的探测性能在350℃时达到最佳,对于5 ppm浓度的目标气体,响应度值为1.22,对于500 ppm浓度的目标气体,响应度值为2.50,并且具有较短的响应/恢复时间（8 s/7 s）,远远优于采用氧化物半导体所制备的甲醇气敏传感器。通过对比分析GaN/Si-NPA、Pt/Si-NPA和Si-NPA三种结构对甲醇气体的响应特性,我们证实器件对甲醇气体的响应能力来源于GaN/Si-NPA纳米异质结构。此外,对于不同浓度甲醇的循环测试表明,该气敏传感器具有较好的测试重复性和时间稳定性。最后,我们通过分析GaN/Si-NPA异质结在不同环境下的能带图对所制备器件的气敏传感机理进行了合理的解释,具体包含异质结的平衡态、氧吸附过程、甲醇吸附和反应过程以及甲醇脱附过程。3、基于所制备的GaN/Si-NPA结构,我们构建了基于GaN材料的光电导型探测器和光伏型探测器,探索了两种器件对紫外光的响应能力。对于所制备的光电导型探测器,实验中我们以325 nm紫外光作为激发源,在入射功率为0.01mW时,器件的光响应度达到了10.2 mA/W,比探测率为1.3×109 Jones。通过对该探测器进行不同电压下的周期性响应实验,器件并未出现持续光电导的现象,而且在循环测试过程中表现出良好的可重复性,典型的响应速度为112 ms（上升时间）和75 ms（下降时间）。通过构建ITO/GaN/Si-NPA/Ag异质结构,自供电的光电探测器得以实现,在0 V偏压下该探测器的开关比为532,这得益于异质结构界面处内建电场的存在及其对光生载流子的有效分离能力。以325 nm紫外光作为激发源,在0.01 mW的入射光功率下,器件的光响应度达到了90.2mA/W,比探测率为2.9×109 Jones,典型的响应速度为32 ms（上升时间）和26ms（下降时间）。由于GaN材料本身的热稳定性以及Si材料良好的热导性,所制备的异质结探测器具有良好的工作稳定性,可在空气环境下连续工作10小时,光电流无明显衰减。在高温环境（100℃）下,该探测器的光电流随工作时间有减弱趋势,连续工作10小时后,光电流衰减约为17%,展现出作为稳定光响应器的应用优势。对于高温环境下器件光电流衰减的原因,我们也进行了合理解释。上述成果为新型深紫外光探测器的制备提供了新的方案。