近年来,N面GaN材料由于在高频和光电器件、氢气探测器、以及太阳能电池等领域具有特殊优势而受到关注,但是高质量N面GaN外延薄膜制备的困难限制了它的发展和应用。为了改善N面材料的特性,本文对其进行了研究,并使用了变Ⅴ-Ⅲ比的两步成核生长法和两种不同的插入层来优化GaN材料的表面特性和结晶特性。本文的主要成果如下:首先,对N面GaN异质外延的AlN成核层进行了研究。通过对比Ga面和N面GaN的成核层发现,N面的成核层使用的Ⅴ-Ⅲ比过高而使最终形成的表面不利于尺寸适中、密度适中、取向均匀的GaN成核岛的形成,导致N面GaN外延薄膜的质量比Ga面差。进而本文提出了先高Ⅴ-Ⅲ比,后低Ⅴ-Ⅲ比的两步成核生长方法,先使用高Ⅴ-Ⅲ比以保证AlN成核层的N极性,再使用低Ⅴ-Ⅲ比来改善成核层最终形成的表面形貌,使之有利于之后GaN的生长。我们对低Ⅴ-Ⅲ比AlN层的厚度进行了优化和分析,当低Ⅴ-Ⅲ比层厚度在45nm左右时,GaN外延层的表面特性特性达到最优,表面粗糙度有效降低,起伏下降到优化前的一半,说明此时AlN提供的成核表面最有利于GaN的均匀成核。同时,由于成核层生长中Ⅴ-Ⅲ比的降低,N空位增多,增强了成核层对从衬底向上扩散的O的吸收作用,使进入GaN外延层的O杂质浓度降低,背景载流子浓度降低至原来的一半。随后,本文对N面GaN外延层生长过程中各种特性的变化进行了研究。研究发现在生长中随着外延层厚度的增加,位错不断发生湮灭,由热失配和晶格失配造成的压应力逐渐降低。同时外延层的C含量也随着厚度的增长发生了变化,文中也进行了分析。利用插入层来优化材料特性的方式简单有效、成本较低,本文进行了重点研究。本文中提出了超低温GaN插入层的优化方法,它通过加入N面所缺失的三维岛状生长模式来改善材料特性。实验发现,当超低温插入层位于成核层与外延层之间时,对GaN外延层表面形貌和结晶质量的优化最为有效。该插入层不仅可以通过增加三维岛状生长而使位错湮灭,还在后续的GaN外延中引入了层错,进一步阻拦位错的延伸。同时伴随着层错的产生,GaN中的压应力几乎完全释放。插入超低温GaN插入层后斜切衬底上生长的样品的表面粗糙度和表面起伏大幅降低,常规衬底上生长的样品表面的六方尺度也明显减小。本文还采用了超薄AlN插入层的优化方法,达到了加入应力来使位错弯曲并湮灭的目的,这一方法对易于发生弯曲刃位错密度的降低非常有效,同时对材料表面形貌的改善也非常明显。