从90年代初,III族氮化物器件的性能提高的非常快,蓝光和绿光LEDs已经商业化。FETs则显示出微波高功率和高温特性。而高质量III族氮化物材料制备一直是材料应用的基础。但GaN的制备不能像Si材料一样采用拉制单晶的方法,因为其对温度和压强的要求过高。所以,如何获得高质量、低缺陷密度的薄膜材料是贯穿整个III族氮化物材料和器件研究的关键问题。本文选择微纳米图形掩膜和衬底作为研究重点。III族氮化物材料的制备中,微米图形掩膜和衬底已经在最近的二十年间被大量的研究。但是,纳米图形掩膜和衬底的研究还处在初级阶段,特别是对其内部作用机理的研究需要不断的研究。本文,我们主要引入了三种方法:一种是自组织微纳介质球作图形掩膜过生长GaN和AlGaN材料;第二种是在GaN岛的不同晶面上采用AlN/GaN超晶格近似生长AlGaN材料;最后一种是TiN作掩膜的GaN纳米柱上GaN的侧壁生长。主要的研究成果如下:1.首先,我们对几种衬底的亲水性进行研究,Si、蓝宝石、SiC衬底可以通过旋涂PS薄膜,并在氧等离子体中处理来获得良好的亲水性。而GaN衬底和PS薄膜可以仅通过氧等离子体处理获得良好的亲水性。并利用旋涂方法成功得到了不同粒径的单层微米和纳米球薄膜。2.对氧化硅微纳球作为掩膜的c面GaN过生长进行了研究。首先,我们制造了自组装单层的二氧化硅微纳球薄膜,并生长了具有低残余应力和高光学性能的低位错GaN薄膜。并提出了TDs减少的四种主要机制,分别是由微纳球对TDs的直接阻挡、TDs在GaN/Silica局域界面和局域自由表面处的弯曲、GaN的横向生长和自停止生长现象贡献。同时,应用的微球直径越大,TDs的减少越明显。另外,PL光谱测试结果显示,使用1000nm微球的样品的带边发光峰是没有使用微球样品的5倍,发光特性明显提高;Raman光谱测试结果显示,使用1000nm微球的样品的应力从没有使用微球时的1.05GPa减少到0.14GPa,所以该掩膜方法有助于减少GaN中的残余应力。之后,对二次氧化硅微纳球掩膜的c面GaN过生长的研究结果显示,二次微纳球掩膜过生长得到的GaN的位错密度进一步降低,穿通上去的位错和合并产生的位错都会减少,而且合并位错成为位错的主要来源。最终结果为,使用1000nm直径氧化硅微球作掩膜时,一次掩膜可以使GaN位错密度从1.3×109cm-2减少到8.5×107cm-2,二次掩膜可以使位错密度降低到5×107cm-2以下。3.对氧化硅微球作掩膜的非极性面(a面)GaN和半极性GaN的过生长进行了研究。对于a面GaN,结果显示该方法可以显著减少过生长层中的位错和层错,只有窗口区域仍然有部分位错穿通上来。而在横向生长区域位错很少,且没有明显的层错出现。对半极性面GaN,结果显示该方法显著减少了过生长层中的位错,仍然只是在窗口区域仍有位错穿通上来。而横向生长区域虽然位错很少,但仍然产生了较多的堆垛层错。由于位错的大量减少,过生长层GaN的光学特性被显著的提高,PL测试显示应用1000nm氧化硅微球掩膜的样品比没有应用掩膜的样品发光强度提高了18倍。并且,样品表面形貌也有显著的改善。最后,非极性面GaN位错密度从~3×1010cm-2减少到~5×107cm-2。半极性面GaN位错密度从~1×1010cm-2减少到~1×108cm-2,基面堆垛层错密度从>1×105cm-1减少到~5×104cm-1。4.对氧化硅微纳球作掩膜形成GaN岛,并研究GaN岛上利用超薄AlN/GaN超晶格近似外延低Al组分和高Al组分的AlGaN薄膜材料。结果表明利用AlN/GaN超薄超晶格结构近似生长AlGaN材料具有高的横向生长速率,从而快速合并。而几个面的生长速度不同,分别为(0001)<{1ˉ101}<{11ˉ22}。另外,在斜面{11ˉ22}面和{1ˉ101}面上斜向生长的AlGaN几乎没有位错。并且,由于GaN岛顶面面积较大,失配应力会在顶面中间区域释放,导致AlGaN材料在GaN岛顶面的界面处会产生一些新的刃位错。并且,这种密集岛状GaN上生长AlGaN材料的方法可以有效的避免由于失配造成的开裂状况。最后,得到的AlGaN的位错密度从~1×1010cm-2减少到~1×108cm-2。5.最后,我们对TiN作掩膜的无光刻干法刻蚀纳米柱上的GaN侧壁生长进行了研究。这是一种无需光刻工艺的纳米图形阵列形成方法,是利用微纳米球作为掩膜,先刻蚀,后制造掩膜得到的,其工艺相对简单。研究表明,该方法可以显著的降低位错,特别是刃位错,并且有效减少材料中的残余应力。同时,材料的发光特性也得到了显著的提高。通过改进这种方法有可能实现原位侧壁生长GaN,从而显著的简化生长工艺步骤。最后,TEM估计的位错密度从2.2×109cm-2减少6×108cm-2。总之,这三种方法都致力于引入更多的缺陷减少机制,并尽量避免杂质的引入和材料特性的退化。一方面,我们探究和优化了掩膜制作和材料生长中的主要工艺;另一方面,我们分析了材料的各种特性,并给出了变化的理论解释。