GaN作为第三代半导体材料,具有宽的禁带宽度、高的电子迁移率以及良好的导热性能等优异的特性,能够被广泛地应用于光电半导体、高迁移率半导体等器件的制备。在半导体照明领域,基于GaN制备的发光二极管(LED)已经成为了照明市场的主流。然而,随着GaN基LED的大规模应用,如何降低LED的制备成本也成为了市场关注的焦点。基于成本的考虑,采用单晶Si作为GaN基LED生长的衬底被研究者们提出。由于Si衬底具有制备工艺成熟、大尺寸衬底易得、制造成本低以及优良的导热导电性能等优点,能够显著地降低LED的制备成本,并改善LED器件的散热性能,提高LED器件的稳定性。迄今,Si衬底上的LED制备技术已经得到重大的突破,但是依然在材料生长、机理研究以及芯片制备等方面存在一系列的基础问题,制约着Si衬底上GaN基LED性能的提升。如何生长高质量的GaN基LED外延材料和制备高性能的LED芯片依然是Si衬底上LED制备技术的研究方向。为此,本论文围绕Si衬底上高质量GaN基LED外延材料的生长以及芯片的制备展开,取得的主要成果如下:首先,提出了两步法生长AlN缓冲层,解决了“回熔刻蚀”的问题;并采用步进式AlGaN缓冲层,抑制了GaN表面裂纹的形成。研究发现,AlN缓冲层的表面愈合是防止“回熔刻蚀”反应的关键。对AlN生长工艺的研究发现,高温、低V/III比能够提高吸附Al原子的迁移程,促进AlN的愈合;基于这一研究的结果,我们提出了两步法生长AlN的方式,先采用高V/III比形成AlN的岛状生长,释放薄膜中的应力,随后采用高温、低V/III比促进AlN岛的愈合,获得了表面趋近于二维生长的AlN缓冲层,因此成功地防止了Si与GaN的“回熔刻蚀”的现象,获得了表面平整的GaN薄膜。为了解决裂纹的问题,我们引入了AlGaN缓冲层,并研究Al Ga N缓冲层结构对应力的影响。研究发现,通过步进AlGaN缓冲层能够增强GaN薄膜在生长过程中的压应力,抵消降温过程中形成的张应力,从而在Si衬底上获得了无裂纹的GaN薄膜。其次,采用不同插入层技术,有效地降低了GaN薄膜中的位错密度。本文借鉴了GaN岛状生长转二维生长的模式,通过插入层形成并增强GaN的岛状生长,促进位错的偏转与湮灭。为了获得三维(3D)GaN的岛状生长,本文在AlGaN缓冲层上首先通过高压生长形成3D GaN插入层,随后再引入AlN和3D SiN插入层结构增强3D GaN的岛状生长趋势。对AlN插入层的研究发现,在3D GaN插入层下引入AlN插入层,能够借助AlN与GaN之间的晶格失配,促进GaN的岛状生长;对SiN插入层研究则表明,将SiN沉积在GaN岛上能够抑制GaN岛的横向生长,延迟GaN岛的愈合,从而再次增强了GaN岛的愈合对的位错的抑制作用,改善Ga N外延薄膜的晶体质量。最终,通过上述三种插入层结构获得了高质量的GaN薄膜。XRD测试结果显示,GaN外延薄膜的GaN(0002)和GaN(10-12)摇摆曲线的半峰宽分别为320和392 arcsec,展示了优异的晶体质量。最后,在Si衬底上生长了完整的LED外延片,并通过剥离衬底制备垂直结构LED芯片,解决Si衬底吸光的问题。本文在上述优化的GaN外延薄膜上继续生长InGaN/GaN多量子阱结构以及p-GaN层,获得了无裂纹高质量的GaN基LED外延薄膜,随后,将生长的LED外延片通过基板转移和衬底去除技术制备成垂直结构芯片,并通过蒸镀金属反射层以及N型出光面的表面粗化提升LED芯片的光提取率。结果显示,1?1 mm2尺寸的芯片在350 mA下运行电压为3.55 V,光功率为378.62 mW,显示了良好的光电性能。与此同时,由于转移Si基板良好的散热性能,Si衬底上的垂直结构芯片在大电流(700 mA)的条件下依然保持了较好的光电性能与波长稳定性。本论文通过深入研究AlN、AlGaN缓冲层和多种插入层结构对Si衬底上生长GaN的应力控制与缺陷抑制的作用机理,实现了Si衬底上高质量无裂纹的GaN基LED外延材料的生长,并最终制备出了具有优异性能的垂直结构LED芯片,为Si衬底上高质量III族氮化物材料外延生长及器件制备提供了重要的指导。