Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如Ⅲ族氮化物和Ⅲ族砷化物等均为直接带隙半导体,其优异的化学稳定性、光电性质和电学性质使其成为了照明、通信、能源行业的新贵。此外,现代材料制备技术的发展使低维材料的制备得以实现,为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的性质和应用研究开辟了新的道路。目前,不同维度的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的应用研究仍旧受到材料质量的限制,材料质量的进一步提升亟需在半导体外延生长技术及其生长机理的研究中寻求突破。本论文落足于研究不同维度Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的外延生长,建立一套以生长中的原子吸附行为为核心的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延生长机理分析方法,通过优化生长方法和调整生长参数、衬底等,提升了薄膜、纳米柱、量子点结构等多种维度的材料的质量,结合密度泛函理论计算,具体研究成果如下:（1）薄膜材料。使用脉冲激光沉积的外延方法,解决了铝酸锶钽镧La_0.3Sr_1.7AlTaO₆（111）衬底上外延Ga N（0002）薄膜时出现的界面扭转问题,成功制备晶体质量极高（X射线衍射摇摆曲线半峰宽0.06°）的Ga N薄膜,并通过密度泛函理论计算,研究了Ga/N原子在LSAT衬底表面的吸附行为,进一步延伸至LSAT/Ga N的界面研究,解明了界面扭转问题的内在机理和脉冲激光沉积法克服界面扭转问题的机制。（2）一维材料。使用分子束外延方法,通过调控In/Ga原子束流比,实现了径长、高度可控的In Ga N纳米柱阵列外延生长,解决了In Ga N纳米柱柱间合并的问题,并通过密度泛函理论计算,研究了In原子在In Ga N纳米柱顶部和侧壁的吸附行为,阐述了Ga/In束流比影响In Ga N纳米柱径长、高度的物理机制,将研究薄膜生长初期原子吸附的方法拓展到一维材料的形貌调控和生长机理研究中,构建了一套研究原子非持续性迁移行为的方法。（3）零维材料。引入GaAs（100）A斜切衬底进行InAs/GaAs量子点的分子束外延自组装生长,在无模板的前提下实现了高尺寸均匀性的InAs/GaAs量子点阵列。基于InAs/GaAs量子点自组装生长的机理,主要研究了衬底斜切角度变化对量子点合并和过度生长的影响,结合密度泛函理论计算,揭示了衬底表面斜切角与In原子的表面迁移行为的关系,并基于研究原子非持续性迁移行为的方法和统计热力学方法,建立了一套研究非平整表面上原子持续迁移行为的方法。