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III族氮化物半导体材料的研究和应用是目前半导体行业的热点。GaN基半导体材料作为第三代半导体材料的代表，在高温、高频、微波、大功率光电子等领域得到了很大的发展，大量的研究也证明以GaN等为代表的宽禁带、直接带隙半导体材料仍有着广阔的发展空间和发展前景。然而由于GaN熔点高，平衡蒸汽压很大，GaN材料的制备极为困难并且成本极高，这也使得GaN的外延生长主要在异质衬底(如蓝宝石)上进行，但异质衬底与GaN之间较大的晶格失配及热失配导致后续生长的GaN外延层具有很高的位错密度(约为108-1010cm2)，晶体质量比较差。这些高密度的位错严重影响了半导体材料的晶体质量和光电性能。为了提高GaN外延薄膜的生长质量，本文从成核层的生长工艺入手，通过对成核层生长时的温度和氨气流量两个工艺参数进行优化，提高了GaN外延薄膜的晶体质量，并对成核层的生长机理和对上层非掺杂GaN外延薄膜的影响机制作了进一步的讨论，其主要的研究成果如下：首先，本文利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备在蓝宝石衬底上生长了具有不同成核层生长温度(分别为610℃、630℃、650℃、670℃和690℃)的五组GaN外延薄膜样品，并通过in-situ原位监测以及AFM、HRXRD、PL和HALL等表征手段进行检测。结合实验数据可知，成核层的生长温度对GaN外延薄膜的晶体质量有着重大的影响。只有在适合的温度下，GaN成核层才会在退火后形成大小均一，密度适中的三维形核岛，然后在后续的生长过程中顺利实现从3D生长模式向2D生长模式的转变，最终得到高质量的GaN外延薄膜。在成核层生长温度为650℃时，得到最为光滑致密的GaN外延薄膜，位错密度最低，光电性能最好，带边峰强度最高，载流子浓度最低，载流子迁移率最高。除温度外，本文还探究了氨气流量对低温GaN成核层生长过程的影响，以及对后续高温非掺杂GaN外延薄膜晶体质量的影响。本实验仍用Aixtron公司的MOCVD设备，采用两步生长法在蓝宝石衬底上制备了成核层生长时氨气流量不同(分别为A样品400sccm、B样品800sccm、C样品1200sccm、D样品1600sccm、E样品2400sccm)的五组GaN外延薄膜样品。通过对实验所得的样品进行HRXRD、PL、AFM和HALL等测试得知，成核层生长时的氨气流量最优值为800sccm，此时样品刃型位错密度和螺型位错密度均为最低，并且具有最好的光电性能。