近年来在Si(111)衬底上生长GaN材料受到了广泛的关注，但由于Si衬底与GaN外延层之间的热应力所引发的裂纹问题却严重的阻碍了该技术的发展。本论文主要对采用MOCVD设备在Si(111)衬底上进行GaN外延的生长和应力演化情况进行了分析和研究，提出了改善外延层的质量和调控外延层的生长应力的技术，并利用本实验室自主搭建的在位应力监测系统开展了比较深入的研究，主要包括以下内容：　　 1.介绍和分析了本实验室自行搭建的一套在位应力监测系统的原理和结构。该套系统是利用外延层的应变和样品曲率之间的关系，通过对两束平行入射光线的光反射进行测量，实现样品曲率在生长过程中的实时监测，从而对外延层在生长过程中的应力进行分析。我们研究了在这套系统中采用不同波长的激光光源对在位应力监测的影响，提出了在位应力曲线噪声的起源和消除的方法。我们通过一系列测试实验验证了这套系统工作的可行性和可靠性。　　 2.分析了采用AlN插入层技术生长GaN外延时的应力演化过程以及物理机制，实现了对顶层GaN生长应力的调控。我们在采用AlN插入层生长Si上GaN时，通过在位应力监测系统发现顶层GaN的生长应力有一个初始压应力向张应力的转变。结合XRD和TEM等测试手段，我们提出了这种应力转换的最主要原因是AlN插入层会在顶层GaN中引入新的刃型穿透位错，这些刃型位错的位错线在顶层GaN中发生了倾斜，其在生长面内的投影相当于失配位错，从而导致了顶层GaN中初始压应力向张应力的转化。这种应力转变的速率受顶层GaN中位错密度的影响，位错密度越高，其初始压应力向张应力转变的速度也就越快。我们同时研究了顶层GaN中穿透位错的主要来源，发现AlN插入层在生长过程中由于张应力而在表面产生了Ⅴ型槽，Ⅴ型槽在AlN随后的生长过程中发生合并，在合并处产生穿透位错，在AlN中产生的穿透位错会越过界面穿透到顶层GaN中，从而造成顶层GaN中穿透位错的密度增加。我们可以通过改变AlN插入层的生长条件来改变AlN层中的穿透位错密度，从而有效地调控顶层GaN生长时应变的演化过程。　　 3.通过对AlN插入层的研究，我们提出了采用复合缓冲层技术来生长Si上GaN的方法。由于顶层GaN中新引入的穿透位错是引起GaN生长应力转化的主要原因，因此我们可以通过减少顶层GaN中穿透位错的方法来改变顶层GaN的应力状况。我们首先采用了单一组分的AlGaN/AlN复合插入层来生长Si上GaN，着重研究了AlGaN中Al的组分对插入层效果的影响，发现采用AlN/AlGaN界面和AlGaN/GaN界面都可以阻挡掉大量向上延伸的穿透位错，从而使得进入到顶层GaN中的位错密度减小，达到减缓GaN中应力演变速率的目的。在此基础上，我们在AlGaN层中增加界面的数量，采用组分梯度变化的多个AlGaN插入层来进行GaN生长，结果发现组分逐步变化的AlGaN中的每个界面都有一定的几率可以阻挡穿透位错穿越过该界面。在整个AlGaN中层数不多的情况下，增加AlGaN中层的数目可以进一步提高AlGaN插入层对位错的过滤作用，达到改善GaN外延层的质量和减缓顶层GaN在生长过程中的应力演变速率的目的。　　 4.报道了采用SOI衬底来生长GaN的初步实验结果，主要是通过改变SOI衬底的顶层Si厚度来研究其对GaN生长的影响。试验发现在SOI衬底上生长的GaN外延无论是在生长应力还是晶体质量方面都要好于在体Si(111)衬底上生长的GaN外延。但是GaN外延的晶体质量和应力情况并不是随着SOI衬底的顶层Si的厚度的减少而变好的，这和传统意义上的柔性衬底理论不相复合，相关机理还需要进行更进一步的研究。