氮化镓基Ⅲ族氮化物直接宽禁带半导体材料及合金体系带隙从0.7eV到6.2eV连续可调,拥有优异的物理、化学特性,是发展近红外-可见-紫外波段半导体光电器件及高频、高压、高温、大功率微电子器件的优选材料,与金刚石、ZnO、SiC等一起被美誉为第三代半导体材料。Ⅲ族氮化物及相关器件的光电特性、工作性能和使用寿命与多种因素有关,其中提高外延膜晶体质量、降低缺陷密度已经成为提高光电器件效率和延长使用寿命的关键。氢化物气相外延(HVPE)技术具有生长速率快、制备成本较低等优点,目前已经成为生长GaN厚膜、获得自支撑GaN衬底材料的常用工艺。因而,GaN HVPE生长工艺研究、GaN材料的性质研究等成为Ⅲ族氮化物研究领域的热点。本论文利用本实验室自行设计具有知识产权的HVPE生长设备,主要做了以下几方面的研究：HVPE生长GaN工艺的进一步优化,优化条件生长的GaN外延膜性质研究,GaN外延膜位错研究以及GaN纳米线HVPE生长研究。论文研究的主要内容和获得的主要结果如下：1.较为系统地研究了生长条件(N2载气、镓源温度、生长温度和Ⅴ/Ⅲ比、HVPE-GaN低温成核层等)对GaN外延膜质量的影响,并对生长条件进行了进一步优化。研究表明,Ⅴ/Ⅲ比范围在30～40之间时GaN样品晶体质量好,位错密度较低；载气流量对GaN外延膜的质量影响较大；不同生长时间的低温GaN成核层高温退火后再外延对GaN厚膜的晶体质量有较大影响。对优化条件生长HVPE-GaN样品光学性质研究发现,HVPE-GaN材料的带隙宽度不服从通常的能带收缩效应,变温PL谱发射峰峰位能量随温度呈现S形非单调变化；结构分析表明,GaN外延膜存在面内双轴压应力。2.采用选择性腐蚀的方法结合SEM(Scanning Electron Microscope)和CL (Cathodoluminescence)技术,系统地研究了HVPE生长的GaN样品中主要的晶体缺陷-位错,并采用选择性腐蚀和高分辨XRD (High Resolution x-ray diffraction)分析两种方法对HVPE GaN样品中的位错密度进行了分析和计算。研究发现,样品中除位错外还存在小角晶界,柱面或棱面内的堆垛层错、位错环等晶体缺陷。研究还发现,HVPE GaN样品由大量柱状晶畴堆积而成,晶畴壁由基面堆垛层错和位错构成。马赛克模型可以描述Ⅲ族氮化物这种材料结构,利用高分辨X射线衍射技术对HVPE GaN样品进行了详细地测试分析,得到四个特征参数：纵向相关长度、横向相关长度、晶体面间倾斜角和面内扭转角,并利用相关公式计算得到样品中总的位错密度约为(1.1-2.7)×109cm-2。两种分析方法比较表明,采用选择性腐蚀方法可以较为系统地研究样品中的位错类型和分布规律,并可以估算样品中位错密度；利用高分辨XRD技术可以得到样品中位错密度的统计性结果。3.首次研究了利用HVPE技术以金属镍作催化剂在c面蓝宝石上生长出GaN纳米线。系统研究了GaN纳米线的HVPE生长条件,详细分析了生长条件(时间、温度、NH3流量等)对GaN纳米线生成的影响。HVPE GaN纳米线的形貌和结构分析表明,GaN纳米线直径为50-80nm,长度可达几个微米,生长机制为VLS模式；晶体结构为纤锌矿结构,生长方向沿六方相的c轴,晶体质量较好。室温光致发光谱主峰为3.31eV附近的带边发射峰,没有探测到与缺陷相关的黄带。GaN纳米材料强表面效应可能导致带边发射峰峰位红移。PL谱展宽可能与纳米线尺寸的非均一分布,激子沿纳米线轴向的散射等因素有关。室温拉曼谱测试表明,纳米体系中声子被限制在有限的空间内或被高密度的表面缺陷态所局域,导致声子波矢不确定,致使GaN纳米线拉曼散射特征峰展宽。