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Ⅲ族氮化物材料是直接带隙半导体，其带隙宽度从0.7eV(InN)到6.2eV(AlN)连续可调，发光范围从近紫外到红外，覆盖了整个可见光波段，是制备LED和LD等光电器件的理想材料。目前GaN基大尺寸高功率LED和蓝光LD都已经商业化，并且某些光电特性也已经超过了传统器件。但是技术的发展要远快于理论的跟进，许多基本物理问题和机制尚不清楚，有待认识和研究。如作为GaN基LD功能层之一的p型AlGaN/GaN超晶格空穴载流子浓度的提高机制就是其中的一个难点。另一个关键问题是位错的抑制，由于GaN体单晶制备较为困难，以及缺少与之相匹配的异质外延衬底材料，GaN的外延生长一般都是在大失配衬底上进行，因而导致GaN外延薄膜存在大量的位错等缺陷，严重影响GaN基光电器件的可靠性。提高GaN晶体质量成为一个重要而基本的课题。 本文针对上述问题，从氮化物低维材料生长、微结构与宏观特性分析和原理机制探索等方面，细致研究了p型AlGaN/GaN超晶格，低位错密度GaN外延薄膜新的生长方法和机理，取得的主要研究成果如下: 1.研究了AlN插入层对p型AlGaN/GaN超晶格的微结构和电学特性的作用。AlN插入层厚度分别为0、5、10、20和40nm。XRD实验结果表明，p型AlGaN/GaN超晶格(102)面的衍射峰的半高宽与AlN插入层的厚度有密切的依赖关系。当AlN插入层厚度从0变化到20nm时，(102)面的衍射峰的半高宽逐渐增加，插入层厚度进一步增加到40nm后，(102)面半高宽减小。而p型AlGaN/GaN超晶格(002)面的的衍射峰的半高宽几乎不变。TEM观察分析显示，由于在超晶格与GaN或超晶格与AlN插入层的界面处，螺型位错既有产生也有终止，因此总的p型AlGaN/GaN超晶格螺型位错密度几乎不变。当AlN插入层厚度达到10nm后，大量刃型位错产生。通过理论计算表明，刃型位错的大量产生是由于AlN层厚度超过了临界厚度，应变能以位错形式释放。倒易空间mapping图证明AlN插入层有效的调节了p型AlGaN/GaN超晶格层中阱垒应变的分配。Hall测量发现，空穴载流子浓度随AlN插入层厚度的增加先升高后减小。理论和实验研究结果表明，特定厚度的AlN插入层能极大降低Mg受主激活能。通过比较激活能与空穴载流子浓度的关系，我们认为，p型AlGaN/GaN超晶格中的刃型位错是电负性的，呈现受主行为;刃型位错的带电属性与Mg受主激活能的大小决定了空穴载流子浓度的变化;而空穴迁移率的变化是由于刃型位错和p型AlGaN/GaN超晶格的多层界面的散射作用所致，呈现出与空穴载流子浓度相反的变化趋势。 2.首次发现p型Al0.15Ga0.85N/GaN超晶格中的刃型位错及少量的混合型位错发生了倾斜现象。刃型位错的倾斜角度在4.6-11.5°范围，并且朝<1-100>方向弯曲。刃型位错的倾斜运动符合攀移机制。由此计算出有p型Al0.15Ga0.85N/GaN超晶格表层的弹性弛豫应变为2.4×10-4，平均弹性弛豫应变为1.2×10-4。混合型位错在样品表面沿<11-20>方向，遵循位错线的滑移机制。混合型位错线在运动过程中首先沿｛11-20｝柱面，由于有刃型分量，朝<1-100>方向弯曲。当位错线进入到｛1-101｝二次滑移面后，沿<11-23>方向一直运动到基面。通过有无AlN插入层的两种结构的p型Al0.15Ga0.85N/GaN超晶格的比较，我们排除了实验中Mg掺杂剂对位错倾斜的影响。由于高温AlN插入层的作用，p型Al0.15Ga0.85N/GaN超晶格中Al0.15Ga0.85N垒中张应变减少，GaN阱中压应变增强。我们认为，这种由于高温AlN插入层造成的应力转换是造成超晶格中刃型位错与少量混合型位错发生倾斜的主要原因。 3.采用新型的叠层掩膜衬底结构，极大的抑制了缺陷、实现了高质量GaN材料的异质外延生长，并对其进行了高压相变研究。与传统的ELOG方法相比，此新的生长方法实现了一步外延，避免重复生长过程，减少了成本。研究发现这种叠层掩膜图形衬底为抑制位错提供新的自由度和手段。上下两层窗口错开，利于位错的有效阻挡，最大程度的降低GaN外延层中的位错密度。(1)通过优化MOVPE生长条件，我们首次实现了利用叠层掩膜衬底结构外延生长GaN材料，获得了完全合拢的、表面平整的GaN薄膜。从XRD和湿法腐蚀的分析表明，GaN外延层中的位错密度为7×105cm-2，比传统的ELOG方法还要低1～2个数量级。TEM分析显示，上层悬空部分的SiN掩膜可以有效的阻挡部分位错，部分位错发生弯曲，沿SiN掩膜表面伸展，延伸至基面。叠层掩膜衬底结构的通道里并没有观察到位错。GaN外延膜在上层SiN掩膜中央附近发生合并，形成了高缺陷区。CL结果进一步证明了GaN外延层中的缺陷集中在上层窗口边缘和SiN掩膜中央附近，并且通道里GaN应变均匀。GaN表面窗口区和翼区应力均匀，合并区由于应力以位错形式释放，因此应力稍小。(2)高压拉曼谱研究发现，这两种区域的GaN的相变点相差约8GPa，我们认为这归因于高位错区GaN晶格发生了严重的扭曲，外力作用下原子结构更容易发生变形，而低位错区GaN原子排列较为有序，相变点较低位错区更高。(3)在叠层掩膜图形衬底结构上生长的GaN模板上继续生长蓝光LED结构，通过变温PL光谱测量发现，内量子效率从以蓝宝石上生长的GaN为模板的样品的49.63％升到75.83％，证明晶体质量大为改善，低位错密度的GaN模板使得多量子阱有源区中非辐射复合相对减少，从而导致了内量子效率的提升。