宽禁带Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料在短波长发光器件、短波长激光器、光探测器以及高温、高频和大功率电子器件等方面有着广泛的应用前景而备受关注，发展十分迅速。由于GaN体单晶难于制备，目前商品化的GaN器件材料一般都是采用异质外延，市场上的GaN基LED所用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅以及硅。硅材料由于其成本低廉，大尺寸等性质，硅工艺技术成熟，Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成，因此Si作为GaN薄膜衬底具有重大的应用价值。由于硅衬底的晶格参数和热膨胀系数与GaN材料有很大的差别，所以硅衬底上生长的GaN往往都会出现位错密度高、发生龟裂等情况。近年来，众多研究者对Si衬底上生长GaN进行了研究，取得了一些进展。但如何在Si衬底上实现较高质量、无裂纹的GaN生长仍然是研究的难点，特别是Si衬底上GaN的生长机制以及如何降低晶格失配和应力的影响。　　传统的生长高质量无裂纹GaN薄膜的方法大多是通过插入AlN基插入层来补偿Si衬底与GaN之间的张应力，本文通过只改变生长工艺参数获得了高质量无裂纹GaN薄膜，与传统方法相比，结构简单，稳定性和重复性高，另外，也可以避免因AlN基插入层所带来的电气设备的性能退化，有利于实现Si衬底上GaN基器件的商业化。本文采用Thomas Swan MOCVD对Si衬底生长氮化镓材料进行了研究。采用X射线衍射仪、原子力显微镜、扫描电镜、拉曼光谱仪、光学显微镜等测试仪器对Si衬底生长的GaN表面形貌、晶体质量、应力等性能进行了系统研究。通过对材料及器件性能的分析，取得了以下创新成果:　　(1)系统研究了在Si衬底上采用AlN缓冲层的两步气压法生长高质量无裂纹GaN薄膜。在不引入AlN基插入层的前提下，AlN缓冲层的生长采用两步气压法可获得高质量无裂纹GaN薄膜。结果发现，调整AlN缓冲层的第二步生长气压，可以改变早期高温GaN薄膜的三维生长时间，这对后期高温GaN薄膜具有重大的影响作用。当AlN缓冲层的第二步生长气压从100mbar增大到400mbar时，高温GaN外延层的三维生长被适当地延长，GaN薄膜的晶体质量提高，应力减小到0.62GPa，我们可获得1.8μm厚的高质量无裂纹的GaN薄膜。然而，当AlN缓冲层的第二步生长气压增大到650 mbar时，由于高温GaN的外延层的三维生长被过度的延长，很难实现后期高温GaN生长模式从三维到二维的转化，因此，我们没有获得表面光亮的GaN薄膜。　　(2)系统研究了硅衬底上早期GaN薄膜的生长气压对生长GaN材料的特性的影响。结果发现，改变早期GaN薄膜的生长气压，可以改变早期高温GaN薄膜的三维生长时间，这对后期高温GaN薄膜具有重大的影响作用。当早期GaN薄膜的生长气压从250mbar增大到650mbar时，高温GaN的外延层的三维生长被适当地延长，GaN薄膜的晶体质量提高，应力也得到改善。