以GaN基LED芯片为基础的固态照明器件具有发光效率高，寿命长，响应速度快，发光强度随电流和脉冲宽度近线性变化，能在剧烈振动和恶劣环境下工作，不含环境有害物质等优点，成为新一代通用照明灯具的首选。随着研究的深入和产业的发展，GaN基发光二极管的材料生长和器件制造技术已经取得了长足进步，器件效率和可靠性也有显著提升；特别是硅衬底GaN LED外延技术和芯片制造技术的成功实施，芯片成本进一步下降，加速了LED灯全面取代白炽灯和荧光灯进入通用照明领域的进程。在此背景下，本文开展了对硅衬底GaN基材料和器件生长的研究。论文首先对Al合金掩膜微图形化Si(111)衬底上GaN材料的侧向外延生长进行了研究；然后，研究了同温cap层和cap层厚度对绿光InGaN/GaN MQWs LEDs量子阱材料质量和芯片发光性能的影响，以及湿法表面粗化对蓝光LED芯片取光效率的提升作用；最后，对硅衬底GaN垂直结构大功率发光二极管的可靠性进行了研究分析。通过上述研究，本论文取得了以下主要结果：1.提出了用于硅衬底GaN材料选区外延生长的Al-Si合金掩膜技术。通过在Si(111)衬底表面蒸镀150金属Al，经光刻工艺制作Al金属图形，然后高温1200℃下进行合金扩散，获得了Al-Si合金掩膜的图形化硅衬底。实验表明，在Al-Si合金掩膜区不会生长GaN，因此，Al-Si合金技术是Si衬底上选区外延生长GaN材料的一种有效掩膜方法。2.通过优化Al-Si合金条形掩膜参数和GaN外延生长条件，成功地在Al-Si合金掩膜微图形化Si(111)衬底上的周期为1mm1mm方块区域内生长出无裂纹GaN连续外延膜，并通过在方块之间Al-Si掩膜区的硅衬底内产生裂纹，实现了应力释放，从而有效地解决了硅衬底GaN外延膜发生龟裂的难题。3.通过引入阱后同温GaN cap层，成功地实现了对InGaN/GaN多量子阱绿光LED低温生长的阱层InGaN材料的保护作用。研究表明，cap层厚度在一定范围内增加，InGaN阱层的In组分升高且分布更均匀，InGaN材料质量和量子阱界面特性变好。具有25cap层的绿光器件的外量子效率(EQE)及EQE最高值对应的电流密度分别是15cap层器件的1.39倍和10倍，文中对此给出了相应解释。4.经过工艺优化，研制的厚度为25cap层结构的硅衬底垂直结构绿光LED芯片，经封装在350mA直流驱动下(电流密度35A/cm2)，主波长为519nm，内量子效率40.3%，工作电压2.99V，光功率达235mW，这是目前报道的硅衬底绿光发光二极管最好水平。5.通过引入500Torr高压条件下生长的p-GaN层，在具有大V型坑结构的InGaN/GaN蓝光LED外延结构中，成功地实现了对量子阱区V型坑的填平作用，芯片反向漏电下降，器件发光效率增大；通过工艺优化，研制的具有此结构外延片制造的垂直结构大功率蓝光LED芯片在350mA直流驱动下(电流密度35A/cm2)，主波长为450nm，内量子效率达79.5%，硅胶封装器件的工作电压为3.05V，光功率达595mW，与蓝宝石衬底蓝光LED市场产品的先进水平持平，从而有力地表明硅衬底LED是一条行之有效的半导体照明新技术路线。