以氮化镓(GaN)为主的Ⅲ族氮化物等第三代半导体是研制微电子器件、光电子器件的新型化合物半导体材料，在光电子器件、高温大功率器件和高频微波器件等领域有着广阔的应用前景。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，如何获得高质量大尺寸的GaN外延薄膜对研究者来说仍然是一个巨大的挑战。GaN材料的获得主要是采用异质外延的方法生长在蓝宝石衬底上。为了减少异质外延过程中产生的大量缺陷，人们通常采用侧向外延技术(LEO)来获得高质量的GaN材料。不过传统的侧向外延技术有一些难以克服的弊端，诸如生长过程中的非原位工艺会给材料带来杂质污染，工艺复杂、生产成本高、外延时需要更厚的生长厚度等，影响了GaN材料的晶体质量和大规模应用。为此，本论文目标就是以方法简便为原则，探索无污染、低成本的提高GaN材料晶体质量的方法。在具体的工作中，我们系统研究了采用图形衬底技术、原位SiNx纳米掩膜技术等方法生长GaN薄膜，对薄膜的晶体质量、位错密度，以及对材料电学光学性质进行了表征。在此基础上，我们还在蓝宝石图形衬底上制备了发光二极管(LED)器件结构，并研究了发光效率的提升机制。主要内容分为以下几个部分：　　 (1)蓝宝石图形衬底技术避免了生长过程中的非原位工艺，是一种有效的提高GaN晶体质量和器件性能的方法。我们系统研究了蓝宝石图形衬底的参数和形状对GaN薄膜晶体质量以及LED发光性能的影响。我们利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备在半球形蓝宝石图形衬底上生长了GaN外延材料并制备了LED器件结构。我们发现，在半球形蓝宝石图形衬底上利用传统两步生长法生长GaN薄膜时，较大的三维晶粒更有助于GaN晶体质量的提高。通过比较两种不同图形衬底生长的GaN材料的晶体质量，我们证明了半球形图形衬底对改善GaN材料质量作用明显，进一步的变温光荧光测试也证明了生长的蓝光LED结构发光强度有很大的提高。在实际的测量中，这种图形衬底对蓝光LED内量子效率的改变并无明显效果，但可有效改善光抽取效率。　　 (2)我们利用原位沉积SiNx纳米掩膜的方法生长了具有极高晶体质量和极低位错密度的GaN薄膜。考虑到GaN薄膜在不同的生长阶段具有不同的位错行为，我们研究了SiNx的生长位置对位错的影响。结果表明，当SiNx生长在粗糙层GaN表面时，不仅可以有效阻止刚形成的位错向上传播，而且更容易形成闭合的位错环，使穿透位错尽可能的减少。高分辨x射线衍射(HRXRD)和原子力显微镜(AFM)测量结果表明，利用这种方法生长的GaN薄膜的(1-102)衍射半峰宽只有223角秒，位错密度低于108量级，是目前已有报到中结果最好的。　　 (3)我们系统计算了SiNx纳米掩膜生长在不同位置时的GaN薄膜螺位错和刃位错的密度，并对薄膜的光学、电学性质进行了表征。我们发现SiNx掩膜的生长位置对GaN薄膜的应变大小基本没有影响。值得注意的是，插入层的位置的改变影响了薄膜中的本征载流子浓度，因此，采用这种生长方法对于控制GaN薄膜本征掺杂水平具有重要意义。