GaN基半导体材料因其在高亮度发光器件、大功率微波器件以及高压电力电子器件等方面的应用优势，近二十年来在学术研究和产业应用方面都受到了高度重视。不过，目前几乎所有的GaN器件应用以及大部分学术研究都是基于Ga极性面的，即（0001）面，有关N极性面GaN的研究极少，只是在近几年来受到人们的关注。N极性面由于极化方向和Ga极性面相反，具有一些明显优于Ga极性面的特性，如N极性面GaN HEMT结构的2DEG限域性更好，欧姆接触电阻更低，存在天然背势垒等。为了进一步提高N面GaN外延材料的质量，使其早日达到器件应用的要求，迫切需要解决的问题包括，一方面在c面蓝宝石衬底上生长的N面GaN表面存在大量的六方，采用斜切衬底可以消除表面六方，同时也改善材料质量。但是会使得材料的表面形貌变差，表面起伏增加。另一个方面是存在高浓度的背景载流子，这使得异质结无法形成2DEG，载流子的迁移率低。因此本文就改善材料表面形貌和降低背景载流子这两方面问题进行了深入研究。主要研究成果如下：1、首先研究了影响N面GaN材料质量的初期工艺参数（衬底、氮化和成核层）。主要研究了生长温度对N面GaN材料质量的影响规律，研究表明，当温度降低时材料质量会出现严重退化，但表面形貌会变好，表面起伏会减小。然后，提出了一种插入薄层低温GaN缓冲层的新方法，不仅使N面GaN材料表面形貌和起伏有很大的改善，而且材料质量也获得了一定的提高。2、分析研究了N面GaN异质结材料的输运特性，发现电离杂质散射是N面GaN异质结材料电子迁移率较低的主要原因。研究发现，N面GaN异质结电子迁移率随温度变化规律与Ga面不同。N面GaN异质结电子迁移率在低温段随着温度的上升而增大，在高温段随着温度的升高基本保持不变，这主要是由于N面GaN中存在密度较高的背景电子浓度及非故意掺杂电离施主离子，使得电离杂质散射成为目前N面GaN材料中的主要散射机制。而与N面不同的是，Ga面GaN异质结电子迁移率随温度升高而下降，在低温段(77K~300K)迁移率下降显著，而在高温段(300K~573K)迁移率下降相对缓慢，Ga面GaN异质结中的主要散射机制是晶格振动散射、界面粗糙度散射等。3、通过AlGaN缓冲层的采用以及结构优化，显著抑制了N面GaN异质结外延材料的背景电子浓度。首先通过对AlGaN缓冲层N面异质结构的能带仿真研究，证实了AlGaN缓冲层抑制背景载流子浓度的有效性。然后采用三种不同结构的AlGaN缓冲层进行N面GaN异质结材料的生长实验研究，结果表明，当采用低Al组分AlGaN缓冲层时，N面GaN材料质量有所下降，背景载流子的抑制作用不明显，背景载流子浓度为5.2×1018cm-3；当采用在高温AlN成核层上直接生长高Al组分的AlGaN缓冲层，N面GaN材料位错密度明显降低，室温电子迁移率由176.51cm2/V·s提高到206.30cm2/V·s，背景电子浓度降低到1.3×1018cm-3；采用Al组分缓变的AlGaN缓冲层时，由于极化掺杂效应能够感生一定浓度的空穴，使得背景电子浓度得到了显著降低，低达7.9×1017cm-3，但是材料位错密度有所增加。最后，通过SIMS测试分析发现，高Al组分AlGaN缓冲层的采用显著降低了缓冲层中氧杂质浓度，而低Al组分样品中氧杂质浓度降低很少。