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近年来GaN基Ⅲ族氮化物LED等光电子器件研究取得了长足的进步，目前在α-Al2O3和SiC等衬底上制作的LED器件已经实现了商业生产。但在这些衬底上制备的器件结构沿生长方向([0001]方向)存在自发和压电极化电场，这个内建电场使得LED内的多量子阱(MQW)的量子效率降低，从而使得LED的发光效率的提高受到限制。在LiAlO2(100)衬底生长的m面GaN基InGaN/GaN非极性LED摒除了极化电场对发光效率的影响，有望进一步提高发光效率，从而受到广泛的关注。本论文主要研究内容是在LiAlO2(LAO)衬底上外延生长单晶m面GaN薄膜，探讨了缓冲层生长温度、衬底氮化处理及载气对m面GaN薄膜的影响；并就m面GaN薄膜的应变和极化性质进行分析研究。外延生长了m面InGaN/GaN异质结、MQW和LED结构，利用半导体器件制作工艺在所得的外延结构上制备得到蓝绿光非极性LED器件。总结主要结论如下：
利用MOCVD生长技术在LiAlO2(100)衬底上成功的生长得到单晶m面GaN薄膜。外延生长采用缓冲层生长技术，实验结果表明缓冲层的生长温度对外延膜的晶体取向有很大的影响。当缓冲层生长温度TN=T3和T4时得到的薄膜为单晶m面GaN；当TN=T1和T2时得到的薄膜为c面和m面共存的多晶GaN。说明较高的缓冲层生长温度有利于得到单晶m面GaN薄膜。
1．衬底的氮化实验表明生长前对LAO衬底的氮化处理有利于c面GaN的形成，所得的薄膜样品为c面和m面GaN共存的多晶材料。这是因为对衬底的氮化会在衬底表面形成一层很薄的与衬底晶体取向一致的AlN膜，这层AlN促进了c面GaN的成核。研究结果表明载气对GaN的晶体取向没有明显的影响，而采用H2作为载气所得的GaN薄膜的表面及晶体质量明显高于采用N2作为载气。
2．在LAO(100)衬底上生长的m面GaN薄膜为双轴压应变，在生长面内其应变为各向异性。通过偏振拉曼谱中声子峰的位移计算得到m面GaN各个方向的应变分别为εxx=—0.34％，εzz=—0.07％，和εyy=0.14％，应变是由外延膜与衬底间的热失配引起的。面内应变各向异性使得GaN的能带重整，其价带项简并的轻空穴和重空穴能级分裂，从而导致m面GaN的禁带宽度依赖极化电场的方向。通过m面GaN偏振反射谱的测量给出了常光和非常光折射率no和ne的值，并通过拟合得出了no和ne随着波长的变化规律。
3．在m面GaN薄膜上外延生长得到了m面InGaN薄膜和InGaN/GaN多量子阱。结果显示m面InGaN薄膜In的组分(～30％)比在相同生长条件下Al2O3(0001)衬底上生长的c面InGaN薄膜In的组分(～49％)低；同时In的表面分凝现象也不如c面InGaN薄膜明显，这说明生长m面InGaN合金时In掺入效率较c面InGaN合金更低。
4．在LAO衬底上利用MOCVD生长系统外延得到m面InGaN/GaN LED结构。PL测量结果表明LED的有源层InGaN/GaN MQW的PL激发峰位于520nm左右。LED芯片的电致发光谱的中心波长位于514.5nm，并且随着工作电流从20～45mA其发光峰位没有蓝移，说明所得的LED内摒除了极化电场的影响，LED为非极性。Ⅰ—Ⅴ特性曲线表明器件存在很大的漏电流，这是由于GaN材料质量不高及p型GaN内空穴密度不高导致没有形成良好的p—n结。