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以GaN为代表的Ⅲ族氮化物材料的禁带宽度覆盖了从红外到深紫外这一重要波段，因此在发光二极管(LED)、激光器(LD)、探测器(PD)、太阳能电池等方面有着广泛的应用。由于很难得到GaN的同质衬底，目前普遍采用异质衬底生长GaN材料。由于Si衬底特有的优势，本论文采用Si衬底生长GaN外延。然而，由于Si和GaN巨大的晶格失配(17％)和热失配(56％)，导致GaN薄膜中有较多的缺陷并且在降温过程中产生巨大的张应力，引起薄膜的开裂。所以消除裂纹和提高晶体质量是在Si衬底上生长GaN外延面临的关键问题。本论文主要研究Si(111)衬底上GaN外延材料的MOCVD生长，同时还对GaN外延层的变温PL光谱进行了分析: (1)本文对Si衬底上GaN材料的MOCVD生长进行了研究。首先对高温AIN缓冲层的生长条件进行了研究，我们发现在预通AI原子时间为10s，AIN层厚度为100 nm，缓冲层生长温度为1060℃左右生长时，GaN外延层具有最佳的质量，但可惜的是，仅仅优化AIN缓冲层的生长条件无法达到令人满意的晶体质量，而且AIN缓冲层条件很难控制。于是，在此基础上，我们引入了可以提供适当大小的成核小岛的GaN过渡层。通过调整过渡层的生长条件，控制岛的长大与合并的过程，可以控制三维生长到二维生长过渡的过程，最终提高外延层的晶体质量并降低裂纹密度。实验发现通过生长合适厚度的GaN过渡层，可以得到高质量、无裂纹的GaN外延层。 (2)研究了GaN外延层的变温PL光谱。本文重点分析了Si(111)衬底上的GaN外延层的变温PL光谱，同时与蓝宝石衬底和SiC衬底上的GaN外延层的变温PL光谱进行对比分析及研究。本文对Si(111)衬底上外延层的低温PL发光峰进行了鉴定。我们发现，不同衬底上生长的GaN外延的低温PL发光峰发生了移动。经过实验分析，我们认为造成这种现象的原因是外延层在不同衬底上所受的应力状态不同。在Si(111)衬底和SiC衬底上生长的GaN外延层，由于外延层残余应力为张应力，GaN外延层的激子复合发光相比于无应力状态的外延层发生了红移。而在蓝宝石衬底上，GaN外延层的激子复合发光则发生了蓝移。 (3)最后，我们还分析了Si(111)衬底上生长的GaN外延层的低温PL光谱中由于堆垛层错引起的发光。实验发现，该峰的PL峰位随温度呈现S型。由于GaN外延层中的两种结构（纤锌矿结构和闪锌矿结构）是造成堆垛层错产生的原因，而这两种结构禁带宽度不同，相当于在外延层中引入了局域态。我们分析，堆垛层错的S型曲线的发光可能与局域态和光生载流子随温度变化分布不均匀有关。