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GaN作为典型的Ⅲ族氮化物半导体材料，具有宽直接带隙、高电子迁移率、高热导率、耐高压、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等特点，在微电子和光电子领域得到广泛应用。但是，适合GaN生长的体单晶衬底很少，通常采用异质外延的方式来进行生长，最常用的异质衬底是Al2O3，其制造技术已经日臻成熟，并实现了广泛的商业化生产。由于Al2O3的导热、导电性能比较差，因此，人们对价格便宜、生产工艺成熟、导电导热率性能好、与集成电路兼容性更好的Si衬底产生了广泛关注。尽管Si与GaN的失配度比较高，但是，随着近年来科研工作者的研究，针对Si基GaN的生长问题的改善，已经取得了一定成果，其中本论文中采用的Si图形衬底就是一种很有效的解决方法。通常GaN材料是沿着(0001)极性轴方向生长，这种晶向GaN中具有强自发极化和压电极化效应，引起高内建电场，导致能带弯曲、倾斜，器件有源层中电子空穴波函数空间上分离，大大降低了器件的发光效率。为了降低这种极化效应，半极性、非极性GaN的生长引起了众多研究者的关注，特别是基于Si图形衬底的半极性、非极性GaN的研究具有更广阔的前景。虽然近年来，已经取得了一定的研究成果，但是还有许多难题没有解决，距离器件的广泛应用还有一段距离。 本论文采用了MOCVD系统进行了Si图形衬底上非极性、半极性GaN的生长及性能表征并且采用APSYS软件进行了相关GaN基LED的理论研究。采用光学显微镜、原子力显微镜、X射线双晶衍射仪等仪器对Si基GaN材料进行了测试和分析。通过研究生长温度、AlN插入层的厚度和数量对半极性GaN的影响以及非极性GaN的MOCVD生长过程，在制备工艺简洁的Si图形衬底上成功获得了性能较好的半极性、非极性GaN材料。取得了如下有创新、有意义的研究成果: 1、利用光刻工艺和KOH各向异性湿法刻蚀工艺相结合，在Si(100)和Si(110)衬底上成功制备出具有Si(111)侧面的周期性阵列凹槽条纹，刻蚀均匀性良好，凹槽内侧平整无多余沉积物，Si(100)表面凹槽刻蚀深度可根据Si表面SiO2条纹宽度以及Si(111)斜面与Si(100)晶面的夹角进行计算调整。 2、本论文首先研究了Si(100)衬底上GaN侧向外延过生长的机理，确定GaN侧向外延低温三角形生长模式。然后，采用MOCVD设备进行了半极性GaN的生长并用光学显微镜、原子力显微镜、X射线双晶衍射仪等仪器进行半极性GaN性能表征，实验研究得出，半极性GaN的最佳生长温度为920℃，外延层中插入AlN插入层有利于提高GaN性能。当设计2个AlN插入层，并且厚度设为4nm的时候，可以获得表面平整度比较好的半极性GaN薄膜，其择优取向性以及晶体质量都有一定程度的改善。此外，我们进行了Si(110)图形衬底上非极性GaN的生长，并成功获得具有非极性面的GaN纳米线材料，可以应用到纳米光电器件、探测器、光控开关等器件领域。 3、采用APSYS软件进行Si基极性、非极性、半极性InGaN/GaN蓝光LED的理论模拟研究。通过分析实验中内量子效率、光功率、能带结构、载流子分布、辐射复合率、极化场分布以及发光谱等LED特性得出，在三种结构样品中，非极性结构LED的内量子效率可以达到98.6％，其光功率是最高的，能带弯曲程度、电子漏电流以及内部极化场都是最小的，电子和空穴的分布以及辐射复合率的分布均匀性比较好，但是，在有源区中靠近p型层的三个量子阱内电子和空穴的浓度以及辐射复合效率的比较中，半极性结构要优于非极性的结构。此外，发光谱的分析也说明非极性结构性能更优越。这个结果可以作为后期Si基高性能非极性或半极性GaN基LED实验研制的理论依据和参考。