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GaN材料具有优异的物理与化学性质，适合制备高温、高频、大功率的高性能器件，是目前国际上研究的热点。本论文研究了在大失配的Si和蓝宝石衬底上进行的GaN外延：在Si(111)衬底上进行了GaN的气源分子束外延，研究了AlN缓冲层对于GaN质量的影响；在Si(111)衬底上电子束蒸发金属后，进行了GaN的气源分子束外延；在蓝宝石衬底上，使用氢化物气相外延方法，进行了GaN的选择区域外延。主要研究结果如下：
1.以AlN为缓冲层在Si(111)上生长了六方相GaN。研究了AlN缓冲层对GaN质量的影响。在AlN缓冲层厚度为36 nm时，GaN的表面和晶体质量最好。此时，AlN刚刚转变为2D层状生长模式。即在AlN刚刚转变为2D生长模式时开始生长GaN，GaN外延层的质量最好。用Raman散射和XRD测量了GaN中残余的应力，4个样品中的GaN都处在张应力状态下。测量的结果表明，虽然AlN缓冲层的厚度对GaN的表面形貌和晶体质量影响很大，但是其对GaN中的张应力的影响确很小，对于9-72 nm厚度范围的AlN，GaN中的应力大小变化并不明显。
2.尝试了在Si(111)衬底上蒸发的金属表面上进行GaN的MBE外延。在Si(111)衬底上用电子束蒸发方法蒸发的Au/Cr/Si(111)和Au/Ti/Al/Ti/Si(111)的表面的Au层，都具有比较均匀和平整的表面，而且都是具有Au(111)面择优取向的立方相Au层。在Au/Cr/Si(111)上MBE生长的GaN，生长结束后表面出现剥离，说明在Au/Cr/Si(111)上，不适合通过MBE方法生长GaN材料。在Au/Ti/Al/Ti/Si(111)上先高温生长一层AlN缓冲层，然后低温生长GaN，可以得到具有(0001)面择优取向的GaN外延层；在该金属表面上无AlN缓冲层直接生长GaN，得到的是多晶的GaN薄膜。对Au/Ti/Al/Ti/Si(111)的退火实验表明，在800℃下退火20分钟，金属缓冲层收缩成为网状结构，金属间隙间露出了Si衬底，这样的网状结构或可作为掩膜，用于在Si(111)上GaN的横向外延或是选区外延。
3.在c面蓝宝石上用HVPE方法选区外延生长了六方相GaN厚膜材料：使用SiO2作为掩膜材料，GaN在窗口区与掩膜上生长的选择性较好。GaN在[1120]和[1100]两个方向的生长速度差别较大，分别为24μm/h和14μm/h。由于选区外延限制了窗口区GaN的面积，减小了累积的压应力，因此随着窗口面积的减小，累积的压应力也将减小，GaN薄膜裂纹减少并消失。同时晶体质量变好，GaN(0002)峰的双晶摇摆曲线半高宽随之减小，最小值为530 arcsec。