Si衬底因兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势, 使Si衬底上GaN基射频(RF)电子材料和器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点。由于力学性质与低阻Si衬底不同, 高阻Si衬底上GaN基外延材料生长的应力控制和位错抑制问题仍然困难, 且严重的射频损耗问题限制着其在射频电子领域的应用。本文简要介绍了Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战, 重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗的产生机理, 以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。

本文利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术在(001)面图形化蓝宝石衬底(PSS)上生长了一种含有AlGaN-InGaN/GaN MQWs (multiple quantum wells)-AlGaN双势垒结构的高In组分太阳能电池外延材料。高分辨率X射线衍射(HRXRD)和光致发光(PL)谱分析表明，与含有AlGaN电子阻挡层的低In组分的量子阱结构太阳能电池外延材料相比，该结构材料具有较小的半峰全宽(FWHM)，计算表明:此结构材料的位错密度降低了一个数量级，达到107 cm-2；同时，有源区中的应变弛豫降低了51%；此外，此结构材料的发光强度增强了35%。研究结果表明含有AlGaN双势垒结构的外延材料可以减小有源区的位错密度，降低非辐射复合中心的数目，增大有源区有效光生载流子的数目，为制备高质量太阳能电池提供实验依据。

三维结构GaN基LED能够解决二维GaN基薄膜LED中存在的量子限制斯塔克效应、效率骤降、发光波长单一等问题。基于此, 本文对三维类金字塔状GaN微米锥的发光性能进行了详细的研究。通过金属有机化合物化学气相沉积原位沉积SiNx掩模层后, 首先制备了底面尺寸为8 μm、高度7.5 μm的类金字塔状GaN微米锥, 之后在其半极性面外延生长了3个周期的InGaN/GaN多量子阱。通过阴极荧光测试发现, 类金字塔状GaN微米锥的半极性面上不同位置发光波长不同; 变功率微区光致发光测试表明, 类金字塔状GaN微米锥的半极性面在InGaN/GaN多量子阱沉积之后极化场较弱; 对InGaN/GaN多量子阱进行了透射电镜表征, 结合阴极荧光光谱的结果最终解释了In原子在类金字塔状GaN微米锥上的迁移机理。利用其半极性面不同位置发光波长不同的结构特点及光学特性, 可以制备多波长发射LED。

选择区域外延生长（SAG）技术是微纳尺度GaN基发光器件的主要制备方法之一。在选择区域外延生长中, Ⅲ族金属原子在掩模介质表面的迁移行为对微纳器件的形貌及特性有非常重要的影响。利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统研究了选择区域外延生长中Ga原子在掩模介质表面上的迁移特性, 得到了不同反应腔压力和生长温度下Ga原子在掩模介质表面的迁移长度, 且在保持其他生长条件不变的情况下, 适当降低反应腔压力或提高生长温度可提高Ga原子的迁移长度。