由于N极性Ⅲ族氮化物材料在自发极化和压电极化方向上同金属极性的Ⅲ族氮化物材料有明显差异,因此N极性Ⅲ族氮化物材料具有如下不可比拟的优势:AlGaN作为天然背势垒材料可以实现增强型器件;且具有较低的欧姆接触,可实现高频、直流半导体器件;其高表面化学活性在高频率HEMT、高灵敏度探测器与LED应用领域展现出优异的性能。然而,Ⅲ族原子在N极性材料表面上的迁移能力较弱,导致N极性GaN基材料表面通常具有六方锥形缺陷形貌,使得外延薄膜的晶体质量无法达到制备器件的要求。本文采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术在c面蓝宝石上进行了N极性GaN外延薄膜生长参数的优化,并创新性地以流量调制技术生长了AlN籽晶层,探究了后续生长的AlGaN外延薄膜极性从金属极性反转到N极性的物理机制。此外,通过改变c面蓝宝石衬底的斜切角度,研究了衬底取向对N极性AlGaN外延薄膜特性的影响。本文的主要研究内容和成果如下:1.通过外延生长实验,研究了影响N极性GaN薄膜生长速度的压力、Ⅴ族和Ⅲ族金属有机化合物源（MO源）的摩尔流量比值即Ⅴ/Ⅲ比值等因素对薄膜晶体质量和表面形貌的影响,并优化了氮化处理时间。研究结果表明,当压力为40 Torr时,Ⅴ/Ⅲ比值为996生长的N极性GaN外延薄膜的缺陷尺寸明显减小,相邻的六方锥形缺陷在台阶上合并明显。另外,随着氮化处理时间的延长,N极性GaN外延薄膜的缺陷尺寸先增大再减小。特别地,当氮化处理时间为2.5 min时,N极性GaN外延薄膜具有较好的晶体质量,同时氮化处理时间几乎不会影响碳原子的非故意掺杂水平。2.在总结现有流量调制技术生长N极性外延薄膜材料优势的基础上,将流量调制技术应用在AlN籽晶层的生长过程中。实验结果表明此技术显著改善了AlN籽晶层的表面粗糙度,同时根据原子迁移机制解释了极性的反转现象。另一方面,通过在此流量调制技术生长的AlN籽晶层上生长不同Ⅴ/Ⅲ比值下的N极性AlGaN外延薄膜。保持NH3流量不变,但改变TMA和TMG流量,由于气相沉积过程中加成反应和热分解反应两条途径的相互竞争,薄膜晶体质量随Ⅴ/Ⅲ比值呈现波动模式。此外,随着Ⅴ/Ⅲ比值的增大,N极性AlGaN外延薄膜的缺陷尺寸单调减小,其中Al组分最高为21%。3.采用c面偏m面约2°和c面偏m面约0.6°的斜切蓝宝石衬底生长了N极性AlN/AlGaN外延薄膜。实验结果表明,当采用c面偏m面约2°的蓝宝石衬底时,可增强Al（Ga）原子在N面AlGaN外延薄膜表面的迁移能力,有效抑制缺陷引起的蓝带发光。同时,可使得N极性AlGaN外延薄膜以台阶流模式生长,六方锥形缺陷形貌几乎完全消失,表面粗糙度显著下降。