基于GaN材料体系的氮化物基半导体器件的研究和产业化已经取得了重大进展,开辟了高能效半导体照明、高功率微波毫米波、高速电力电子技术新时代。面对未来电子信息系统对多样化半导体器件集成的强烈依赖性,需要进一步突破衬底对器件性能的限制,构建出不同半导体材料的异构集成电子系统。为此,探索不同于传统外延方式的新型氮化物半导体范德华外延工艺,实现不依赖外延关系的衬底选择成为国际研究热点。本文基于石墨烯、氮化硼（BN）等二维材料,深入挖掘范德华外延氮化物的外延生长机制,并在不同衬底上发展出多种可实现高质量氮化物薄膜范德华外延及其半导体器件的制作新方法,为衬底可剥离的高效率光电器件和大功率射频器件研制提供了变革性技术。同时,基于以上器件,通过研制新型光电集成系统为范德华外延氮化物半导体器件在信息传输领域的应用拓展了技术途径和应用场景。本文取得的主要研究成果如下:1.研究了Al原子与Ga原子在二维材料上的选择性成核机制,并提出了一种基于二维材料的可剥离GaN外延层生长方法,即分时恒压生长方法。二维材料上氮化物薄膜的高质量生长是实现柔性器件的材料基础。为了实现这一目标,首先详细的研究了薄膜生长初期的成核行为。本文创新性地利用分时恒压生长法获得Al N复合成核层,在单层石墨烯上获得了高质量的可剥离GaN,薄膜表面粗糙度为0.188 nm,螺位错密度和刃位错密度分别达到8.21×10~7 cm-2和6.27×10~9 cm-2。在此材料基础上实现了560 m A电流下260.5 m W的高光输出功率的LED。该工作详细研究了薄膜生长初期金属原子的选择性成核行为,展示了单层石墨烯上范德华外延可剥离氮化物薄膜在LED中的实际应用,为柔性III族氮化物薄膜制备提供了技术革新。2.研究了二维材料上氮化物半导体外延生长模式与动力学行为,揭示了其扩散-吸附调制生长机制,实现了当前国际上最大尺寸的柔性氮化物薄膜,并提出了一种基于图形化二维材料掩模的高质量氮化镓范德华外延生长方法。在本工作中,深入研究二维材料上氮化物薄膜的生长行为,包括成核,吸附,不同路径扩散等生长行为。结合密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算和实验结果分析,重点对比了不同层数下Al原子的吸附行为和扩散行为,在原子尺度上研究了氮化物薄膜在石墨烯上的生长机制,总结了石墨烯上氮化物薄膜的范德华外延生长模式,并实现了当前国际上最大尺寸柔性氮化物薄膜,同时引入了O2等离子体工艺,对二维材料进行预处理形成标准图形化掩模,在此模板上进一步提升了范德华外延的材料质量,随之大幅提升了LED的性能,在300 m A的注入电流下LED达到最大输出功率500 m W。这些发现进一步揭示了二维材料上可转移氮化物薄膜范德华外延生长机制,为III族氮化物范德华外延生长的有效应用提供了新的研究思路。3.研究了二维材料上新型AlGaN/GaN异质结的高质量范德华外延生长。当前范德华外延氮化镓器件主要集中在纵向结构LED器件的研究制备,对于新型的横向异质结HEMT器件结构材料生长有待探索。通过第一性原理的计算和实验结果,研究了BN薄膜上的Al原子的生长行为,发现BN上Al原子的生长行为呈现出择优N顶位吸附且沿着N顶位扩散的特点,具有比石墨烯表面更强的选择性,大大提高了成核初期Al N的成核密度,从而导致薄膜在成核阶段具有相对较小的横向合并距离,更容易获得高结晶质量的氮化物薄膜。同时,择优N吸附使得BN可以为衬底提供天然N表面,更容易生长出所期望的金属极性氮化物薄膜。最后,基于二维材料薄膜获得了高质量的Al GaN/GaN异质结范德华外延生长,并分析了生长过程中晶体内部的位错湮灭机制,实现了具备高电流输运能力和击穿能力的二维材料上HEMT器件,进一步丰富了范德华外延生长材料及器件的多样性。4.研究了以高性能范德华外延氮化镓器件为组件的异构集成信息传输原型系统。目前范德华外延技术广泛应用于氮化物生长,LED等器件领域中,在系统级领域中的应用未见报道。于是,本文立足于范德华外延制备的LED器件,同时针对现有传统信息传输模式的不足,重点讨论其在信息传统集成系统中可能发挥的空间。首先通过优化石墨烯上GaN的生长方法,设计了一种基于二维材料的GaN新型异质结构,该新型结构的GaN基LED可用于制备柔性的高稳定自变压光信息传输集成系统。在此系统中,供能的超级电容器同时作为压力传感器,将外界施加的压力信息转化为存储在超级电容器中的电信号,随后驱动LED将电信号以光的形式传输,最终实现了高效、节能、安全、简单的光信息传输集成系统。压力传感器的灵敏度高达65%,响应时间仅为0.06 s,传输波长波动小于2 nm。这样的集成系统扩宽了二维材料上氮化物的新型结构运用场景,验证了基于该新型结构和超级电容器的整个异质集成系统在光通信领域的应用。另外,面向可见光通信搭建了GaN基LED可见光通信原型系统,该系统采用单颗LED器件作为光源,利用LED承载的高速明暗闪烁信号传输信息,具有高速点灭的响应特性,在2 k Hz的传输频率下传输延时在ns级,可初步实现单颗芯片-单个探测器的短距离可见光通信,进一步拓展了范德华外延器件在信息传输系统领域的应用场景。