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GaN基近紫外发光二极管（Light Emitting Diode,LED）具有体积小、功耗低、寿命长、无毒无害等诸多方面的优点,可广泛应用于生物医疗、固化、杀菌消毒、防伪检测等领域,因此受到人们的广泛关注。为了大力推动近紫外LED的市场化,“低成本、大功率”是重要的发展方向。目前,Si衬底由于具有热导率高、成本低、大尺寸易于获得等优点,被认为是发展下一代“低成本、大功率”LED的最有潜力的衬底之一。尽管Si衬底上GaN材料的外延技术已取得一定的发展,但目前仍存在以下几个方面的问题,制约着Si衬底上近紫外LED性能的进一步突破:首先,Si与GaN之间的热失配易使GaN薄膜产生裂纹,从而导致器件失效;其次,Si与GaN之间的较大的晶格失配使GaN薄膜的位错密度偏高,而近紫外LED由于缺乏In的局域化效应,对位错等缺陷较长波长LED更为敏感;最后,有源区中的极化效应降低了载流子的输运及辐射复合效率,使得高光效的近紫外LED难以获得。为了获得Si衬底上高性能的近紫外LED器件,针对以上问题,本论文按照“基于无裂纹GaN的近紫外LED外延材料与芯片的制备”→“LED外延薄膜的缺陷控制”→“LED外延结构的能带调控”的研究思路展开,取得的主要成果如下:第一,通过AlGaN步进缓冲层的设计获得了无裂纹的GaN薄膜,并实现了Si衬底上GaN基近紫外LED外延薄膜及芯片的制备。由于AlN与GaN之间较大的晶格失配,直接外延在AlN缓冲层上的GaN薄膜表面往往布满贯穿裂纹。本论文通过设计不同结构的AlGaN步进缓冲层成功获得了无裂纹的GaN薄膜,并揭示了AlGaN步进缓冲层对GaN薄膜应力及缺陷的调控机理。AlGaN的面内晶格常数较GaN小,可为GaN的生长提供压应力补偿效应。同时,AlGaN步进缓冲层的引入可在每个界面使位错发生偏转湮灭,从而使GaN薄膜的位错密度减少。相应地,GaN薄膜中由失配位错及位错运动引起的压应力弛豫大幅度减少,因此得到了更好的压应力补偿效应。本论文采用双层AlGaN步进缓冲层成功获得了无裂纹的GaN薄膜。在此基础上,通过In GaN量子阱的组分调控实现了发光波长为395 nm的LED外延薄膜,并制备了相应的垂直结构LED芯片。在350 m A的注入电流下,所制备芯片的光输出功率为326 m W,工作电压为3.70V。第二,通过AlN缓冲层的结构设计提高了缓冲层的质量,控制了LED外延薄膜的缺陷,进一步提升了近紫外LED的光电性能。AlN缓冲层作为底层缓冲层,它的质量对于其后生长的LED外延薄膜的质量有着至关重要的影响。但由于Si与AlN之间的界面反应以及Al原子较低的迁移率,高质量的AlN缓冲层往往难以获得。一方面,本论文通过设计低温形核层结构抑制了在高温下Si与N之间的相互扩散,从而获得了突变的Si/AlN异质界面,提高了AlN的晶体质量;另一方面,通过设计多层高-低V/III转换结构释放了AlN薄膜中的部分应力,促进了Al原子的横向迁移,改善了AlN的表面形貌,从而获得了愈合完全的AlN薄膜。随着AlN缓冲层质量的提升,LED外延薄膜的缺陷得到了有效控制,位错密度从1.4×109 cm-2下降至3.1×108 cm-2。在350 m A的注入电流下,相应的LED芯片的光输出功率增加至421 m W,提升了29%。第三,基于能带调控设计了新型的电子阻挡层（Electron blocking layer,EBL）及多量子阱（Multiple quantum wells,MQWs）结构,抑制了有源区中的极化效应,实现了高性能的近紫外LED器件。一方面,本论文设计了8个周期的Al In GaN/GaN超晶格EBL结构,抑制了最后一个量子垒与EBL界面处的极化效应,增强了EBL对电子的阻挡能力及EBL处的空穴注入效率。相应的芯片测试结果表明,在350 m A的注入电流下,超晶格EBL结构使LED的光输出功率提升17%;另一方面,本论文设计了新型的GaN/AlGaN/GaN多量子垒结构,在保有对载流子的高势垒高度的同时还抑制了MQWs中的极化效应,增强了载流子空间重合度和辐射复合效率。并且,采用两步温度控制的GaN垒插入层有效地改善了MQWs的晶体质量。最终,本论文成功获得了Si衬底上高光效的紫外LED器件。在350 m A的注入电流下,LED的光输出功率为659 m W、外量子效率为60%。综上,本论文一方面通过缓冲层技术实现了Si衬底上LED外延薄膜的应力及缺陷的控制,另一方面通过有源区的结构设计和能带调控增强了LED的载流子输运性能和辐射复合效率,最终获得了高性能的Si衬底上GaN基近紫外LED器件。上述研究成果为高性能的Si衬底上GaN基微电子及光电子器件提供了重要指导。