核辐射探测技术在空间辐射探测、核医学、核物理研究、军事工业及环境检测等领域发挥着十分重要的作用。与早期的气体探测器和闪烁体探测器相比,半导体核辐射探测器具有体积小、灵敏度高、响应快、能量线性范围宽等优点,被广泛应用于核辐射探测领域。传统的半导体核辐射探测器通常基于第一代半导体材料,如硅（Si）、锗（Ge）等。然而,Si/Ge核辐射探测器存在抗辐照性能差、对工作温度要求严苛等问题而制约着它们的应用范围。氮化镓（GaN）作为第三代宽带隙半导体材料的代表,具有禁带宽度大、位移阈能高等优点,且随着器件制备工艺的逐渐成熟,GaN在核辐射探测领域呈现出越来越显著的优势,并在高温、强辐射场等恶劣环境中展现出了极好的应用前景。现阶段,大多数GaN核辐射探测器是基于同质衬底的三明治结构,虽然这类探测器具备较好的探测性能,但是自支撑衬底高昂的成本和较小的尺寸极大的限制了 GaN探测器的产业化应用。因此,研究者们纷纷将目光转移至基于蓝宝石衬底的GaN外延层,它有望大幅降低探测器的生产与制造成本,从而加速GaN探测器的市场化进程。本文围绕蓝宝石衬底上GaN外延层的生长与材料表征、探测器的制备、性能测试与分析等,开展的主要研究内容如下:（1）提出了等电子铝（Al）掺杂的方案改善蓝宝石衬底上GaN外延层的晶体质量,生长总厚度超过14 μm（其中,i-GaN层厚度达10μm）的高质量GaN基p-i-n结构的外延层。并通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）等测试手段对外延层进行表征分析。研究表明,由于“固溶硬化效应”,等电子掺杂的Al原子（浓度为0.214%）可以阻断位错的产生、运动和传播,有效的降低位错密度。由于CGa和CN的自补偿效应,i-GaN层呈现出半绝缘的高阻特性,背景载流子浓度可低至1014 cm-3。此外,GaN的非辐射复合中心浓度降低、表面粗糙度也有所改善,这些均为高性能GaN基α粒子探测器的制备提供了有力保障。（2）制备了基于蓝宝石衬底的i层等电子Al掺杂的GaN基p-i-n结构α粒子探测器,研究了不同边缘终端技术对探测器电学特性的影响。结果表明,结合两步台面刻蚀、四甲基氢氧化铵溶液湿法刻蚀的实验方案可以有效的抑制侧壁漏电。通过对探测器反向电流-电压（I-V）特性的测试与分析发现:与基于i层非故意掺杂的GaN探测器相比,基于i层等电子Al掺杂的GaN探测器具有更低的反向漏电流和更高的击穿电压,且探测器的反向漏电是由可变程跳跃传导机制和陷阱辅助的空间电荷限制传导机制共同决定的。（3）进行了蓝宝石衬底GaN基p-i-n结构α粒子探测器的能谱响应测试,并研究了等电子Al掺杂对探测性能的影响。在充分评估探测器I-V、电容-电压（C-V）特性的基础上,采用241Am和239Pu同位素组成的α放射源对探测器进行辐照测试,并结合后端电子学系统进行能谱采集。通过对能谱的分析发现,i层等电子Al掺杂的探测器在-50 V偏压下的能量分辨率可达到4%,这是目前国内外报道的基于异质衬底GaN基α粒子探测器可实现的最好的能量分辨率。此外,通过辐照损伤测试发现,该探测器在中子剂量为1×1013 n/cm2条件下,仍具有稳定的电学性能和探测性能。上述研究证明,基于蓝宝石衬底i层等电子Al掺杂的GaN厚膜在实现抗辐照特性强、能量分辨率高的GaN核辐射探测器的产业化应用方面具备巨大的潜力。