GaN半导体为直接带隙半导体材料,且具备禁带宽度宽、击穿电压大和饱和电子漂移速度高等特性,非常适用于半导体发光器件和高频大功率电子器件的制备。沿着c轴方向生长的GaN存在两种极性,即镓极性（也称金属极性）和氮极性。将沿+c轴[0001]方向外延生长的GaN称为镓极性GaN,沿-c轴[0001 ]方向外延生长的GaN称为氮极性GaN。由于镓极性GaN较高的晶体质量,目前的GaN基器件绝大部分为金属极性。但相比于金属极性氮化物材料,氮极性氮化物材料在发光器件和电子器件的应用中具备独特的优势。例如:氮极性In GaN具有更高的In并入率;氮极性LED中与镓极性LED相反的极化电场方向可以提高载流子注入效率;氮极性GaN/Al GaN基高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor,HEMT）的栅控能力更强同时欧姆接触电阻更低。然而,科研人员发现表面光滑的氮极性GaN薄膜难以获得。较低的晶体质量长期制约了氮极性材料与器件的发展。目前,GaN基材料与器件大多是基于蓝宝石（Al2O3）、硅（Si）以及碳化硅（Si C）等异质衬底制备。然而,异质外延会在外延层中引入较大的残余应力以及高密度的缺陷,会严重降低器件的效率和工作寿命。综合考虑,本论文研究选用GaN为衬底,开展了氮极性GaN薄膜的同质外延生长研究。同时,在同质外延获得的氮极性GaN薄膜上研究制备了In GaN/GaN量子阱结构。本论文的具体研究内容如下:1、GaN衬底氮极性GaN薄膜同质外延生长研究。研究了生长参数（V/III比、生长温度）以及脉冲生长法对氮极性GaN薄膜表面形貌和结晶质量的影响。研究表明,当生长温度为1050℃,V/III为1400时,在GaN衬底上生长的氮极性GaN薄膜,其表面存在大量的六方小丘。采用升高生长温度以及降低V/III比的方法,降低了氮极性GaN表面六方小丘的密度,然而其表面仍较为粗糙。为此,我们提出采用脉冲生长法来改善外延GaN表面形貌和结晶质量。该方法中保持氮源NH3连续通入,高、低流量的镓源TMGa周期性交替通入。基于脉冲生长法获得了表面光滑的氮极性GaN薄膜。通过优化脉冲生长过程中的源流量以及脉冲时间,进一步提升了氮极性GaN的表面形貌和晶体质量。在最优条件下,GaN表面在20×20μm~2面积内的均方根粗糙度仅为0.72 nm。同时,该样品的结晶质量较高,其（0002）和（101 2）面X射线衍射摇摆曲线半峰宽分别为26arcsec和24 arcsec。2、GaN衬底氮极性In GaN/GaN量子阱制备及发光性能研究。研究了量子阱生长过程中势垒层生长温度、势阱层V/III比以及脉冲法生长势垒层对氮极性In GaN/GaN量子阱特性的影响。研究表明,升高量子阱势垒层生长温度可以降低量子阱表面三角形小丘的密度,改善量子阱的表面形貌和晶体质量。此外,通过将势阱层V/III比由20000增加至50000,量子阱的表面形貌和晶体质量得到进一步改善,量子阱表面小丘密度明显降低。同时,量子阱的发光特性也得到了明显提升。最后,采用脉冲法生长量子阱势垒层,制备的量子阱表面光滑平整,小丘完全消失。此外,通过优化三甲基镓源通入和关闭时间(ton/toff),进一步提升了量子阱的发光强度。当ton/toff=3 s/9 s时,量子阱发光强度最强,且表面平整度最佳,其20×20μm~2面积内的表面均方根粗糙度仅为0.6 nm。