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Ⅲ族氮化物具备优异的物理化学性能，在光电器件和功率器件方面应用前景广阔。由于同质衬底的匮乏，GaN基器件通常由异质外延制备。在常用的异质外延衬底中，Si衬底由于工艺成熟尺寸大、价格低（衬底价格低，器件制备工艺价格低）以及高的热导率在异质外延衬底中表现出明显优势。本论文针对Si衬底GaN材料制备生长需要的解决关键科学技术问题，结合不同材料制备生长工艺条件和不同结构的AlN缓冲层调控Si衬底GaN材料大失配应力的效果和作用不同的研究现状，重点开展了两方面的研究工作: 1、Si衬底AlN缓冲层制备生长研究。探索解决Si衬底AlN缓冲层高温MOCVD制备生长寄生反应严重、生长速度慢、岛状生长及混相生长问题的新技术途径和办法。所开展的研究工作如下: (1)通过研究常规低压强下(50Torr)不同Ⅴ-Ⅲ比制备生长的AlN缓冲层样品的生长速度、表面形貌及晶体质量变化规律，发现常低压下生长AlN缓冲层寄生反应严重，随着反应源流量的增加寄生反应增强，材料生长速度减慢。同时，在寄生反应限制区域生长的AlN缓冲层表面呈三维岛状生长且晶体质量较差。 (2)通过研究降低反应室压强(30Torr)不同Ⅴ-Ⅲ比制备生长的AlN缓冲层样品的生长速度、表面形貌及晶体质量，发现在降低反应室压强后，AlN缓冲层生长速度主要受质量输运限制，材料生长速度加快。但生长速度的增加却带来材料晶体质量的下降，其原因是由于生长速度的加快，原子没有充足的时间到达表面能量最低点。 (3)通过研究极低反应室压强(20Torr)不同Ⅴ-Ⅲ比制备生长的AlN缓冲层样品的生长速度、表面形貌及晶体质量，发现在极低反应室压强下，AlN厚缓冲层具有明显的质量输运限制生长特征，原子迁移能力显著增强，制备生长得到的AlN缓冲层材料的晶体质量有大幅度提高。 (4)通过研究分析各种工艺条件对Si衬底立方相AlN形成的影响或作用效果，发现生长初期预铺Al的厚度增加是立方相AlN形成的主要因素。 2、Si衬底GaN材料制备生长研究。研究目的是找到实现Si衬底GaN材料大失配应力调控更有效的新技术途径和办法，进而实现材料表面形貌改善、晶体质量提高、无裂纹厚度和生长效率提升。所开展的研究工作如下: (1)通过研究不同生长时间的Si衬底GaN外延层材料的表面形貌、晶体质量及应力状态变化，AlN薄缓冲层上GaN无裂纹生长厚度有限与生长初期就已出现晶格失配压应力驰豫有关 (2)通过研究常低压条件下生长的不同厚度AlN薄缓冲层上制备生长的Si衬底GaN外延层材料的表面形貌、晶体质量及应力变化，结合AlN薄缓冲层自身的表面形貌和晶体取向变化，研究发现:随着常低压慢速生长的AlN薄缓冲层厚度增加，Si衬底GaN外延层的表面裂纹密度降低、晶体质量提高。当AlN薄缓冲层厚度增加到60 nm厚时所出现的晶粒错排高密度缺陷层会对Si衬底GaN外延层张应力调控起到积极效果，可实现GaN高结晶质量生长。 (3)通过研究极低压强快速生长的不同厚度AlN厚缓冲层上制备生长的Si衬底GaN外延层材料的表面形貌、晶体质量及应力变化，结合AlN厚缓冲层自身的表面形貌和晶体质量变化，研究发现:在极低压强下快速生长的AlN厚缓冲层表面存在一定数量的纳米尺度生长坑缺陷，这些生长坑缺陷的尺寸会随AlN厚缓冲层厚度的增加而增大，导致GaN外延层晶粒尺寸减小、晶粒之间的倾转和扭转及位错密度增大、表面形貌变差。通过控制AlN缓冲层的表面缺陷可将GaN外延层无裂纹厚度增加，晶体质量提高。 (4)通过在AlN缓冲层和GaN外延层之间引入多层梯度组分AlGaN缓冲层，不仅可实现Si衬底GaN材料位错密度大幅度降低，还将Si衬底GaN材料的无裂纹厚度提升到3μm。