氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,具有优异的光电特性,在紫外光电探测器、发光二极管、高电子迁移率晶体管、5G射频器件等新兴领域有着广泛的应用。等离子增强原子层沉积（PEALD）是一种新型的薄膜材料沉积技术,具有低温生长、膜厚可控、薄膜均匀性高的优势。因此,有望通过PEALD技术实现高质量GaN薄膜的低温外延生长,从而扩展GaN薄膜材料在柔性光电器件领域的应用。本论文采用PEALD技术沉积GaN薄膜,系统地研究了影响GaN薄膜生长的主要因素,揭示了薄膜的生长机理;通过衬底表面原位氮等离子体处理实现了高质量GaN原子层外延;通过快速热退火处理进一步提高了GaN外延膜的质量。本论文的主要研究内容如下:第一,优化了PEALD在Si（100）衬底上生长GaN薄膜的生长工艺,揭示了薄膜生长机理。系统研究了生长温度、N2/H2脉冲时间、N2/H2气流量、等离子体射频功率对薄膜生长速率、晶体结构及表面形貌的影响。研究表明,GaN薄膜的生长机理随PEALD参数的变化而不同,GaN薄膜初始生长阶段为岛状生长,随等离子体射频功率的增大,GaN薄膜从岛状生长模式向层状生长模式转变。当生长温度、N2/H2脉冲时间、N2/H2气流量、等离子体射频功率分别为320℃、30 s、30 sccm、180 W时,薄膜晶体质量最高,沿（002）晶面择优取向生长,（002）晶面衍射峰的半高宽为0.593°,C、O杂质含量分别为5.2 at%和12.7 at%。第二,通过衬底表面N等离子体原位处理实现了高质量GaN薄膜的低温外延。分别对Si和蓝宝石衬底表面进行N等离子体预处理,有效改善了界面状态,薄膜晶体质量和光电性能显著提高。其中,GaN/蓝宝石薄膜沿（002）晶面高度择优取向生长,半高宽为0.410°,光学带隙为3.48 e V,C、O杂质含量分别低至1.4 at%、3.8 at%,薄膜呈n型导电,载流子迁移率为13.04 cm~2·V-1·s-1。第三,采用快速热退火处理的方式进一步提高薄膜晶体质量。研究发现,在与GaN晶格失配度更低的蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜质量优于GaN/Si。在750℃退火温度、N2退火气氛下薄膜质量最佳:沿（002）晶面高度择优取向生长,半高宽及薄膜的应变分别低至0.238°、0.0015;薄膜中Ga元素主要与N元素以Ga-N键生成GaN,Ga/N原子比为1.03,C、O杂质含量分别低至1.2 at%、3.6 at%;光学带隙为3.41 e V;薄膜呈n型导电,载流子浓度为6.895×1016cm-3,载流子迁移率高达151.8 cm~2·V-1·s-1。