氮化镓(GaN)作为一种代表性的宽禁带半导体材料,因其优异的光电性能和稳定性,十分适合制备光电子器件和微波射频器件,在照明与显示、5G通信、高频高功率光电设备等领域都有着广阔的前景。目前,实现无应力的GaN材料的批量制备是实现GaN器件快速发展的首要条件。由于GaN同质衬底的缺乏,大部分GaN基器件主要是以异质外延的方式在蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)等衬底上制备。然而,由于异质外延时衬底与外延层之间晶格失配和热失配的存在,所产生的较大残余双轴应力会使得GaN材料出现微裂纹甚至断裂,这影响了 GaN的晶体质量,也不利于后续的器件制备。石墨烯作为二维层状材料的代表,因其独特的物理性质而一直受到人们的广泛关注。通过在石墨烯上生长GaN薄膜,不仅能缓解晶格失配的影响,提升薄膜的晶体质量,还能显著降低热失配产生的双轴应力,以确保生长质量较好的无应力GaN薄膜。因此,研究在石墨烯上生长GaN已经成为一个重要的研究领域。本文中采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在蓝宝石上生长获得了具有特征取向的外延石墨烯。然后通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)并辅以AlN缓冲层在石墨烯上外延生长了平整均匀的GaN薄膜。该GaN薄膜显示了极低的双轴应力(0.023 GPa)。我们通过对石墨烯上GaN的结构缺陷和晶体取向进行表征,证实了外延GaN与蓝宝石之间30°的晶体学转角,分析了石墨烯对结构取向产生的影响。通过分析这种特殊的取向关系,进一步发现了外延石墨烯的特征取向对于释放GaN中的应力至关重要的内在物理机制。同时采用第一性原理计算验证了这种机制。由于界面处石墨烯与外延层之间较弱的范德瓦尔斯力,极低应力GaN薄膜可以轻易地转移至其他衬底。转移后的GaN异质结可以直接制备成金属-绝缘体-半导体(MIS)原型器件,并具有该器件的典型电学特性。我们的工作揭示了石墨烯优异的应力释放效果和应力释放机理,并提供了一种新的外延策略以指导GaN的晶体学生长。