GaN材料作为一种第三代半导体材料,具有宽禁带、高电子饱和漂移速度和高击穿场强等优点,目前被广泛用于研制各种光电器件和高温、高频微波大功率器件。器件级的GaN材料大多数都是在异质衬底上用MOCVD的方法外延得到的。由于衬底和GaN外延层之间存在较大的晶格失配和热失配,以及材料的生长方式,导致GaN外延层中存在很多的缺陷,这些缺陷主要包括高密度的位错和各种点缺陷。高密度的缺陷会影响器件工作的方方面面,因此探究不同种类的缺陷对材料和器件产生的不同影响,以及如何获得低缺陷密度的GaN材料是本领域的研究重点。GaN材料作为一种新型的半导体材料,人们对材料特性的研究仍然不够充分,与GaN材料相关的很多物理机理需要得到进一步的研究。本文的重点是研究GaN材料的点缺陷对GaN薄膜光学和电学性质的影响。本文研究的实验样品,基本上全部是由拥有自主产权的西安电子科技大学的MOCVD生长获得,借鉴国内外研究的成果,结合理论分析,通过实验手段,研究GaN中部分点缺陷的表征及物理作用机理。本文的主要工作和成果如下:1.从GaN材料的电学特性着眼,研究了AlGaN/GaN HEMT材料的GaN外延层的漏电问题。首先确定漏电是因为GaN材料中的点缺陷提供的背景载流子造成的;接着,从理论的角度排除了GaN中可能起施主作用的氮空位(VN)、氮间位(Ni)、镓间位(Gai)、氮反位(NGa)这些本征点缺陷是非故意掺杂的呈n型GaN薄膜中背景载流子的主要来源;接下来,用SIMS手段表征GaN薄膜中的杂质缺陷,通过比较分析,得出了O杂质是非故意掺杂的GaN外延层中n载流子主要来源的结论,并指出O元素主要来源于蓝宝石衬底的分解。2.通过多组的对比实验和因素排除,得出在GaN外延层C、O含量均较低的材料中,掩埋电荷层是GaN外延层漏电主导原因的结论。同时,分析得出螺位错密度和成核层的质量是影响衬底O杂质向上扩散的主要因素。另外,通过XPS的表征手段,揭示了GaN外延层中n型背景载流子会被少量的C元素补偿的现象,并详细说明了C元素的作用机理。3.发现了C杂质的含量与黄带发光强度有着一致性的联系。选取了具有代表性的7个结构不同、C含量不同的样品,对它们的黄带发光强度和C含量进行了比对,得出了C杂质是黄带的主要来源的结论。并对C元素导致黄带做了物理机理分析,指出n型GaN内的C杂质受光激发后由非平衡态CN0向稳定态CN-1复合时辐射,可能是黄带发射的主要原因。4.提出了一种间接判断镓空位(VGa)浓度的表征方法,通过V/III比生长数据比较法,n型载流子浓度SIMS测试法和Ga/N比值XPS测试法这三种方式来组合分析镓空位(VGa)的相对浓度。5.比较分析了不同样品C含量不同的原因。分别指出MOCVD比HVPE生长方法得到GaN材料中C含量高是因为源的原因;用C杂质结合模型解释了非极性a面GaN比极性c面GaN中C含量高是因为晶面的原因,a面GaN中的N位更容易被C原子所替代;指出了Fe原子因为体积更大对N位保护作用更好,从而减少了C的含量。6.指出成核层的种类、厚度和生长温度对杂质O和C含量影响均大,成核层的越厚,对衬底O的阻挡作用越好,而低温成核层系统因为其在升温的时候要重结晶,所以不能生长太厚,而高温AlN成核层是边成核边结晶的模式,所以基于HT-AlN成核层得到的GaN外延层质量较高,C、O含量较低。