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近年来,电子信息系统为了缩小体积、增强功能,正快速向微型化以及单片集成化方向发展,对电子薄膜与器件提出了尺寸小型化和功能集成化的要求。将以极化为特征、具有丰富功能特性的介电氧化物材料通过外延薄膜的方式,与GaN半导体生长在一起形成介电氧化物/GaN集成薄膜,为高性能电子器件的研制提供了新的思路,将推动电子系统单片集成化的进一步发展。然而,在介电氧化物/GaN集成薄膜的研制中,两类材料物理、化学性质的巨大差异导致了严重的相容性生长问题。由于理论研究和实验条件的限制,与之相关的很多物理现象和机理尚未深入研究,尤其是介电氧化物/GaN异质外延机理以及薄膜微结构控制等方面研究不足,阻碍了介电氧化物/GaN集成薄膜与器件的发展。本论文采用激光分子束外延技术（LMBE）,以典型的SrTiO3（STO）介电氧化物薄膜为对象,研究氧化物/GaN异质外延的生长机制和界面控制方法。通过特殊设计的纳米厚度缓冲层材料,对界面加以控制,优化STO薄膜的外延质量。在此基础上,研究了GaN基半导体上生长的STO、BaTiO3等多种介电氧化物薄膜的性能,为GaN基介电氧化物集成薄膜的实用化提供了一定的基础。1.采用反射式高能电子衍射（RHEED）等方法,系统研究了STO在GaN上的生长行为及界面微结构特性。发现在界面化学能的作用下,STO薄膜在GaN衬底上偏离晶格失配度小的方向30°,按STO（111）[110]//GaN（0002）[1120]的外延关系生长,晶格失配度为-13.3%。大的晶格失配度使得STO薄膜以岛状模式生长,产生大量缺陷,取向一致性较差。STO（111）面与GaN（0002）对称性的差异导致STO薄膜面内具有特殊的双畴结构。研究还发现STO中SrO与Ga面GaN之间的不稳定性导致STO/GaN界面发生扩散反应,产生界面层。因此,介电氧化物/GaN界面存在大晶格失配和界面扩散,影响STO薄膜的外延质量,难以实现高质量集成薄膜的可控生长。2.研究了TiO2模板层对STO薄膜外延质量和界面微结构的影响。在GaN上制备了以层状模式外延生长的TiO2模板层。TiO2薄膜表面平整（表面均方根粗糙度RMS<0.5nm）,具有明显的台阶状结构;与GaN形成清晰、无明显扩散的界面。研究发现,利用TiO2模板层降低了STO薄膜外延温度,提高了薄膜面内、面外取向的一致性。结果表明,TiO2模板层可以有效诱导STO（111）薄膜的取向外延生长。通过近重位点阵理论和界面原子构型分析发现,TiO2与STO的结构类似性以及晶格失配的降低（从直接生长时的-13.3%降低到1.3%）是TiO2模板层对STO薄膜取向诱导作用的主要原因。通过控制TiO2模板层厚度可以进一步提高STO薄膜外延质量。当TiO2厚度为2nm时,STO薄膜以层状模式在TiO2模板层上外延生长,其面外、面内半高宽分别为0.569°和1.65°。HRTEM和XPS分析表明,STO/TiO2/GaN集成薄膜具有清晰的界面,界面扩散反应得到了显著抑制。这些结果说明,TiO2纳米模板层能有效地优化氧化物/GaN的界面特性,提高了STO薄膜的外延质量。3.开展了STO/TiO2缓冲层对GaN基集成铁电薄膜取向诱导和性能影响的研究。直接在GaN上生长的铁电薄膜为多晶结构;而STO/TiO2缓冲层能够诱导BaTiO3、Hf掺杂Bi4Ti3O12（BTH）以及BiFeO3等不同晶体结构的铁电薄膜外延生长。与多晶的铁电薄膜相比,外延的铁电薄膜具有更好的电学性能,如更大的剩余极化、更小的漏电流密度和更好的抗疲劳特性等。STO/TiO2缓冲层显著提升了GaN基集成铁电薄膜的性能。4.研究了MgO薄膜的低温外延生长特性及其对界面扩散的阻挡作用,初步探索了MgO势垒层在AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件中的作用。发现MgO的强离子性是其能在室温条件下外延生长的主要原因。界面特性分析表明,室温生长的MgO能够阻挡STO与GaN界面的扩散反应。MgO势垒层提高了STO与GaN界面的势垒高度,使得STO/TiO2/MgO叠层结构漏电流小于STO/TiO2结构,为STO等介电氧化物薄膜在GaN基场效应器件中实际应用提供了一种可能的方法。