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AlxGa1-xN/GaN宽禁带半导体异质结构以其优越的物理和化学性质，成为研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件最有潜力的半导体材料体系。AlxGa1-xN/GaN异质结构材料生长和相关器件研制已成为当今国际研究热点领域，具有极为重要的科学意义和应用价值。本文主要开展了高质量AlxGa1-xN/GaN异质结构材料的金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长研究，同时对GaN基外延薄膜的力学性质，特别是其弹性-塑性转变行为进行了研究。主要研究结果如下：
(1)发展了以Ⅴ/Ⅲ摩尔比为主要调控参数的GaN外延层晶体质量优化生长方法，生长的GaN外延层ω-X射线衍射摇摆曲线(XRRC)(0002)面衍射峰半高宽(FWHM)达270arcsec，(10-12)面FWHM达294arcsec，原子力显微镜测量表明其表面粗糙度(RMS)低于0.20nm(1μm×1μm)。以此为基础，进一步发展了高迁移率GaN外延层生长的优化工艺，生长出的GaN外延层室温电子迁移率达630cm2/Vs背景电子浓度低于2.0×1016cm-3。
(2)发展了以buffer层退火反应室压强为主要调控参数的高阻GaN外延层生长方法，并对GaN外延层高阻形成机理进行了研究。发现随着buffer层退火压强降低，GaN外延层方块电阻迅速升高，当退火压强降到75Torr时，方块电阻高于1011Ω/sq，对应的GaN层电阻率超过107Ω.cm，且其表面RMS达到0.16nm(1μm×1μm)。从生长过程分析确认：buffer层退火压强的降低导致了更高的GaN成核岛密度，进而在GaN外延层中引入更高密度的刃型位错作为受主中心，补偿了背景电子。另一方面，我们认为GaNbuffer层退火压强的降低使得高密度、小尺寸成核岛的聚合时间缩短，减少了来自GaN/sapphire界面处的O杂质向GaN外延层中的扩散，从而减少了背景电子浓度。
(3)优化了AlxGa1-xN外延层生长工艺，研究了AlxGa1-xN势垒层Al组份等生长参数对AlxGa1-xN/GaN异质结构电学性质的影响，在此基础上发展了高质量AlxGa1-xN/AlN/GaN异质结构优化生长方法。生长的Al0.25Ga0.75N/AlN/GaN异质结构表面RMS达到0.13nm(1μm×1μm)，二维电子气(2DEG)室温(300K)迁移率最高达1930cm2/V.s，对应的2DEG浓度达1.01×1013cm-2。以高阻GaN和高质量AlxGa1-xN/AlN/GaN异质结构材料生长工艺为基础，进行了GaN基HEMT材料结构生长和器件研制，证明生长的高阻GaN层能有效改善HEMT器件的夹断特性。
(4)对GaN和InN外延薄膜材料的力学性质进行了研究。确定InN外延层杨氏模量E为162.8GPa，硬度值H为10.2GPa，均小于GaN对应的E(321.1GPa)和H(22.1GPa)值。研究还发现GaN和InN薄膜对压痕的响应在较小的载荷时是完全弹性形变的，而在较大的载荷时发展成小部分弹性和大部分塑性的形变。在GaN和InN薄膜的载荷-位移曲线测量中发现它们的塑性形变起始总是伴随着探头位移的清晰和突然的跳变(“pop-in”)行为，并确认这种”pop-in"行为是GaN和InN薄膜的塑性形变的开始特征。研究还表明InN薄膜塑性形变开始的临界点处对应的最大剪切应力τT为3.3GPa，远小于GaN的τT值6.6GPa。
(5)研究了AlN/sapphire模板上高Al组份AlxGa1-xN外延薄膜的弹性-塑性力学性质。研究表明AlxGa1-xN薄膜的杨氏模量E随着Al组份的增加而增大，薄膜中产生塑性形变所必要的剪切应力也随着Al组份的增加而增大。同时观察到AlxGa1-xN塑性转变过程中Al组份增加导致"pop-in"行为出现减少的现象并对此进行了分析。我们认为随着Al组份的增加，有两个因素，即(1)AlxGa1-xN中键能的增强，(2)AlxGa1-xN和AIN/sapphire模板之间晶格失配减少导致的剩余压应力减少，增加了AlxGa1-xN层中位错形成的阻力，导致AlxGa1-xN层中“pop-in”出现几率随Al组份增加而减少。