宽禁带半导体材料因其具有高击穿电场、良好的导热性、高的电子饱和率和抗辐射性能等特点,已成为开发高频率、高功率、耐高温和抗辐射半导体器件的关键性材料。然而,材料缺陷问题严重限制了制造成品率、器件性能和长期的可靠性。此外,对于高压和大功率开关器件,在运行过程中产生的固有高电场和大电流会产生极端的电应力和热应力。为了改善材料缺陷和应力问题,并提升半导体薄膜的光学特性,本课题采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法,设计制备了注Be-GaN,AlN和AlGaN三种半导体外延材料。通过AFM、SEM、XRD、Raman、SE、TEM、UV-Vis和XPS表征手段,系统研究了材料的形貌结构、应力、光学性质、缺陷演变、能带结构、截面相关特性等。主要内容和结论如下:（1）采用MOCVD和离子注入方法制备了注Be的GaN样品,并进行一系列高温快速热退火（RTA）处理,系统研究了材料的结构形貌、退火影响和光学性质。结果显示,注Be的GaN样品表面出现了明显的分层现象,经过高温RTA后离子注入造成的损伤得以被修复,样品晶体质量明显变好。不同退火温度处理后Be注入层的带隙差值为0.14 eV。随着退火温度的增加,晶体有序性增加,缺陷逐渐减少,样品的折射率、消光系数和带隙发生蓝移。在300-850 K范围内,样品的带隙值从3.328 eV变化到3.083 eV。样品折射率、消光系数和带隙随着实验温度的升高发生红移。本研究提供了注Be-GaN样品的温度相关光学参数,为开发高温、高功率和高频微波器件提供一定的参考指标和新思路。（2）采用MOCVD方法在c面的平面蓝宝石衬底和纳米图案化蓝宝石衬底上生长两种高质量的AlN外延层。比较和分析了在平面蓝宝石衬底和纳米图案化蓝宝石衬底上生长的AlN薄膜的应力和光学特性。结果显示,两个AlN样品均存在随温度升高而变小的压应力。随着AlN纳米柱的横向生长,界面处的纳米孔洞为应力提供了释放通道。纳米图案化使AlN外延层的无序性和缺陷降低,同时高温热退火可以促进晶粒长大,减少了缺陷和残余应变。在AlN层的界面到表面的范围内,压应力随着穿透位错密度的减少发生变化。图案化衬底上的纳米孔洞增加了光散射,同时入射光也容易受到孔洞的捕获,使得图案化衬底的AlN薄膜透光率差于平面衬底的。在300-850 K范围内,AlN薄膜的折射率和消光系数随温度升高而发生红移,带隙与温度间呈线性变化关系。本实验结果使我们能够预测AlN基高功率器件在高达850 K温度范围内的热光效应并优化其光学性能。（3）为了进一步分析AlN薄膜的表面和截面性能,研究了样品的PL谱、温度相关翘曲、薄膜化学态、能带结构、变温截面拉曼谱等。结果显示,AlN薄膜的PL谱发射峰在5.75 eV,存在自由激子复合和纵向光学（LO）声子伴线,位错密度和衬底类型对PL光谱几乎没有影响。在300-1350 K范围内,随着温度的升高AlN薄膜的曲率半径增加,晶圆的翘曲减小。图案化衬底会影响温度自下而上的传递,从而改善薄膜的残余内应力。薄膜中同一化学键的结合能会受一些实验变量的影响而有所差异。截面拉曼谱中的E2（low）声子模的FWHM在界面处最小,与其他声子模有相反变化趋势。随深度增加,薄膜受压应力的作用变大。薄膜表面的E2（high）展宽最小,说明薄膜表面的晶体质量最佳。随温度的升高,截面拉曼谱中的5个声子模的拉曼位移变小,FWHM变大。温度和深度位置的变化都会导致AlN薄膜中的应力发生转变。这种薄膜内应力变化的研究,可以为不同温度下的AlN薄膜应力控制工程提供有用的参考价值。（4）为了提高DUV-LEDs的性能,需要在异质衬底上生长高结晶质量的AlN模板。为此探究了由不同衬底生长机制引起的缺陷形成、演变机理和位错密度对AlN晶体质量的影响。结果显示,纳米图案化生长的AlN的微应变小于平面衬底生长的样品,其值仅为0.11×10-3。在平面衬底上采用表面粗化技术,可对穿透位错有调制作用,并有利于成核层的生长,促使平面衬底上能制备高质量的AlN薄膜。纳米图案化衬底形成的孔洞有利于穿透位错优先延伸到孔洞侧壁,从而诱导穿透位错合并湮灭或者弯曲阻断,但合并界面集中的穿透位错更容易延伸到表面。通过用热KOH溶液腐蚀AlN的表面,得到了三种不同形态的腐蚀坑。利用电子通道衬度成像（ECCI）技术可以在AlN薄膜表面得到凸起状和凹陷状的两种不同缺陷。不同的缺陷表征手段证实了纳米图案化生长的优势,但不同测试手段的结果会因为样品测量的选区、采集信号区域范围等因素而出现差异。（5）通过MOCVD系统在c面蓝宝石衬底上,以不同的Al源（TMAl）流速生长AlGaN/GaN样品,并对薄膜的组分、位错密度、面内应力、表面化学态和光学性质进行了分析。结果显示,随着Al成分的增加,Al原子的表面迁移率低抑制薄膜生长,导致表面粗糙度增加。由于Al原子的表面迁移比Ga原子的低得多,Al成分的增加使得成核生长受到抑制,导致AlGaN薄膜的位错密度增大和晶体质量下降。晶内由位错产生的倾转角从0.0485°变化到0.0768°,表明AlGaN外延层中的穿透位错随Al组分的增加而变大。GaN和AlGaN外延层之间存在部分应变,24%的Al组分样品有最小应变值-3.34×10-4。由XPS分析可知,Al组分增加时,外延层的Al2p、Ga3d和N 1s核级谱中的同一化学键结合能将变大。