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氮化镓(GaN)作为重要的宽禁带半导体材料,具有高饱和电子迁移率、高热导率、耐高温和强辐射等特性,已经成为制备电力电子器件的理想材料。但是,由于难以获得高质量的单晶GaN衬底,GaN基器件的性能还远未达到其理论值。目前,GaN同质外延工艺不成熟,一般采用异质外延生长GaN。但在异质外延过程中,外延层与衬底之间存在晶格失配和热膨胀系数失配,因此当GaN外延层厚度超过临界厚度时,会产生位错来释放失配应变。这些位错严重影响了GaN材料的光学和电学特性。在此背景下,本文研究了不同受限维度衬底上GaN外延层的临界厚度,并设计了两种新型的二维不受限衬底来提升GaN材料的临界厚度和晶体质量。本论文主要的研究工作和成果如下:1、计算一维受限和二维受限衬底上GaN的临界厚度基于临界厚度基本理论计算了一维受限长槽衬底和二维受限小孔衬底的临界厚度。计算结果表明长槽和小孔衬底均可有效提高GaN外延层的临界厚度,且GaN临界厚度随长槽和小孔衬底尺寸的减小而增大,小孔衬底对GaN临界厚度的提升效果更为明显。这些计算结果与实验表征结果一致。该项研究的计算模型可用于预测不同宽度、长度(或半径)和厚度GaN外延层中的位错产生情况。2、制备二维不受限T型超薄薄膜和外延生长GaN基于二维不受限超薄薄膜模型设计了T型超薄薄膜结构。有限元仿真表明,相较于普通SOI衬底,T型超薄薄膜衬底可以有效降低(42%)GaN外延层热应力。通过探究工艺成功在SOI衬底上制备出20 nm的超薄Si薄膜。GaN外延实验表明T型超薄薄膜衬底可以有效提升GaN外延层的表面形貌、晶体质量和光学特性,并降低GaN内部的张应力。该项研究提供了一种超薄薄膜上制备高质量GaN材料的有效方法。3、制备二维不受限悬空超薄薄膜和外延生长GaN针对T型超薄薄膜的不足,我们首次提出了一种新型悬空超薄薄膜衬底。有限元仿真表明,相较于普通SOI衬底,悬空超薄薄膜结构的有效区域可有效降低(44.4%)GaN外延层热应力。通过工艺探究我们在SOI衬底上成功获得20 nm的悬空超薄Si薄膜。与普通SOI衬底相比,该衬底有效区域上GaN外延层未出现裂纹且表面形貌更平整,悬空超薄薄膜衬底上GaN的整体质量优于普通SOI衬底。这些表征结果与热应力仿真结果一致。该项研究为在超薄薄膜上制备高质量GaN提供了一种新型的结构,可应用于GaN基MEMS和传感器。