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高质量GaN和InGaN晶体的外延生长对于实现高性能射频、电力电子和光电器件具有重要意义。基于平片蓝宝石衬底,由卤化物气相外延(HVPE)生长制备的GaN厚膜或衬底存在表面龟裂、局部碎裂、形貌差和位错密度高等一系列亟待解决的问题。另外,平片衬底表面分子束外延(MBE)自组装生长的InGaN纳米柱常存在密集合并和尺寸不均等问题,导致严重的漏电和载流子非辐射复合现象,同时影响后续的有源层外延生长以及器件制备,显著降低器件性能。图形化蓝宝石衬底(PSS)诱导Ga N晶体横向外延生长和位错弯曲,进而提升晶体质量,而且,PSS高指数晶面的特定表面结构和性质具有调控纳米结构的自组装生长行为的能力。然而,尚未有研究系统探讨PSS较平片c面蓝宝石衬底HVPE外延生长GaN厚膜或衬底的优势以及清晰揭示GaN晶体的异质外延生长机制。另外,由于尚未实现酸蚀刻的PSS高指数晶面的可控制备,PSS高指数晶面表面InGaN纳米柱的MBE自组装生长机制尚未被深入理解,因此难以实现纳米柱自组装生长行为的精细调控。本论文系统研究蚀刻时间、H2SO4和H3PO4体积比以及蚀刻温度对PSS的晶面和形貌演变行为的影响规律,有助于实现PSS图形结构和高指数晶面的精细调控。随后,以酸蚀刻的PSS为基础,研究其诱导HVPE横向外延生长提升Ga N晶体质量以及提供高指数晶面调控InGaN纳米柱MBE自组装生长行为的能力,为实现高性能的GaN基射频、电力电子以及InGaN纳米柱基光电器件奠定基础。以圆锥和圆柱PSS为初始蚀刻模型,系统研究了PSS的晶面和形貌演变行为的蚀刻时间、H2SO4和H3PO4体积比以及蚀刻温度的影响规律。建立了晶面倾角和表面结构与蚀刻速率的关系,晶面的蚀刻速率与其表面台阶结构的密度成正比,具有高密度台阶的高指数晶面的蚀刻速率大于低指数c面,PSS高指数晶面的台阶密度和蚀刻速率与其相对于低指数c面的倾角成正比。定量揭示了H2SO4和H3PO4对高指数晶面和低指数c面的各向异性蚀刻能力差异,低指数c面的蚀刻速率与H2SO4的体积分数成正比,高指数晶面的蚀刻速率与H3PO4的体积分数成正比。随着H2SO4体积比的增加,蚀刻的PSS图形的合并程度和占位比增大,PSS图形形貌和高指数晶面的演变更加多样化。随着H2SO4基溶液(H2SO4:H3PO4=5:1)温度降低,PSS图形的合并程度和占位比增大,晶面和形貌演变速度减慢。并且,采用Arrhenius模型量化确定各晶面的H2SO4基溶液和H3PO4溶液蚀刻反应活化能(87.0～108.3 k J/mol)。最终实现PSS图形形貌、尺寸、占位比、高指数晶面和蚀刻速率的精确调控,包括不同占位比的多晶面截头锥、多晶面类圆锥、多晶面三角锥、六角锥、六角星和单晶面三角锥PSS的可控制备。利用酸蚀刻的PSS进行HVPE外延生长GaN薄膜、厚膜和衬底,研究其相较平片c面蓝宝石衬底生长的GaN晶体在表面形貌、位错密度和残余应力等方面的优势。酸蚀刻的多晶面类圆锥PSS外延生长的GaN薄膜、厚膜和衬底的表面形貌和晶体质量均优于平片c面蓝宝石衬底上生长的GaN晶体。并系统探讨了衬底温度、HCl气体流量和PSS图形形貌对GaN晶体生长行为的影响规律。升高衬底温度和降低HCl流量均促进GaN晶体在PSS图形间隙区域的二维生长,同时抑制图形表面GaN多晶块体的三维沉积,有助于平整光滑的、高质量的GaN薄膜和厚膜的外延生长。相比于三角锥和六角锥PSS,在大高宽比且小间距的多晶面类圆锥PSS上外延生长的GaN晶体的表面形貌最优、穿线位错密度最低、残余压应力最小。而且,采用低温和高温循环生长技术,在多晶面类圆锥PSS上成功制备无裂纹、位错密度低和残余压应力小的n型GaN单晶衬底,其中,生长厚度为601μm的GaN衬底的位错密度低至1.9×106 cm-2。采用酸蚀刻的PSS,在其高指数晶面表面MBE自组装生长InGaN纳米柱,系统研究了高指数晶面和Ga/In束流比对InGaN纳米柱生长行为的影响规律,深入揭示了PSS高指数晶面的InGaN纳米柱的自组装生长机制。降低Ga/In束流比增强InGaN纳米柱的三维生长,同时抑制致密层的二维生长,有助于实现高长宽比和高密度的InGaN纳米柱的自组装生长。PSS高指数晶面的密集有序的台阶结构和原子的高扩散势垒有助于实现高长宽比、高密度、均匀性好的InGaN纳米柱的自组装生长,PSS表面自组装生长的InGaN纳米柱的光致发光积分强度较平片c面蓝宝石衬底最高提升87%。而且,PSS的高指数晶面影响其表面自组装生长的InGaN纳米柱的晶向,在六角锥PSS的高指数(4 5＿1 38)晶面表面成功制备半极性的(11＿02)InGaN纳米柱。综上所述,本论文实现了酸蚀刻的PSS图形结构和高指数晶面的精细调控,采用酸蚀刻的PSS,HVPE成功制备无裂纹、低位错密度和低残余压应力的GaN单晶衬底,利用酸蚀刻的PSS高指数晶面,MBE成功自组装生长密集有序、高长宽比和发光性能优良的InGaN纳米柱。该研究为实现高性能和更可靠的GaN基射频、电力电子和光电器件以及高性能InGaN纳米柱基发光器件奠定了坚实基础。