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我们发展的蓝宝石图形衬底湿法刻蚀以及基于其上的GaN侧向外延方法，GaN悬桥外延，克服了多种传统侧向外延方法各自难以克服的困难，得到了高晶体质量、低位错密度的GaN单晶薄膜；同时，传统的采用掩膜的侧向外延方法生长的GaN薄膜普遍面临的晶格翘曲问题也被系统地消除了。本论文主要从衬底偏角导致的GaN薄膜周期性起伏的表面形貌、热膨胀系数不匹配导致的热应力以及悬桥外延GaN中位错减少的机制等微结构方面对图形蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜进行了研究。
本论文采用的c面蓝宝石衬底表面具有朝着<1010>方向的0.25°偏角，偏角方向垂直于最终采用的图形条纹的方向。这个轻微的偏角对衬底图形的晶面起了初始选择作用，同时也给在其上生长的GaN薄膜表面带来了周期性的台阶。这种周期性台阶在生长过程中逐渐演化到具有偏角的平滑的GaN晶体表面，并没有对晶体质量和后期的器件造成不良影响。我们对这个表面的演化过程进行了研究，对GaN薄膜表面的周期性起伏给出了合理的解释；并由此得出了典型的MOCVD生长过程中Ga原子在GaN薄膜表面甲均迁移长度，大约为1微米。
在某些悬桥外延方法生长的结合部含有空洞的GaN薄膜中，可以观察到类似于传统侧向外延GaN中的晶格翘曲。通过把这些薄膜作为对比，笔者利用有限元方法进行了细致的理论研究，计算得到的晶格翘曲的角度和X射线测量的结果符合得很好。计算同时也给出了薄膜中热应力的分布，在没有结合部空洞的悬桥外延GaN薄膜中，切应力非常小，压应力分布均匀，和平面衬底上生长的GaN薄膜几乎没有区别，这是对传统GaN侧向外延方法的一个极大的改进。
利用透射电子显微镜，笔者研究了悬桥外延GaN中位错的行为，实验证实GaN悬桥外延方法继承了传统侧向外延方法中减少位错的方法；并在侧向外延的两翼结合部独特地引入了新的位错减少机制，通过增加位错碰撞和合并的儿率减少位错的数目。实验证实生长的GaN薄膜的位错密度已经得到有效抑制，整个薄膜平均的穿透位错密度在5×107cm-2左右，而作为对比，优化条件以后的平面衬底上生长的GaN薄膜中的穿透位错密度在3×108cm-2左右。通过有针对性地改进，穿透位错密度可以进一步下降到1-2×107cm-2甚至更低，可以得到更高晶体质量的GaN外延薄膜以及更高性能的基于其上的GaN基发光器件。