中文摘要：

（1）以6H-SiC单晶作为籽晶，采用氢化物气相外延方法(HVPE)生长GaN单晶；利用理论模拟，优化温场分布及气体浓度分布，研究各种工艺条件对GaN单晶生长的影响；（2）采用固相反应方法、离子液方法进行GaN粉末材料的合成，研究各种实验条件对GaN物相、形貌以及颗粒均匀性的影响；（3）研究各种助熔剂体系与GaN的相互作用，探索助熔剂方法生长GaN单晶的工艺技术；（4）GaN单晶生长机理及晶体完整性的研究；研究GaN单晶中缺陷和杂质的形成规律，深入研究不同方法生长GaN的机理，探讨缺陷和杂质的形成与生长过程的关系，以此为基础，优化生长参数，最终获得具有高完整性的GaN单晶。

结论摘要：

GaN材料作为第三代宽禁带半导体的典型代表有着广泛的应用。但由异质外延引起的失配严重制约了GaN基器件的发展，而获得GaN单晶被广泛认定为失配问题的终极解决方案之一。本课题研究的主要内容是从实验和理论出发研究GaN单晶的制备技术。建立了HVPE反应室二维和三维结构模型，采用计算流体力学软件对HVPE反应室中气流分布进行了模拟。将模拟结果与生长实验结合，探索各生长条件对GaN单晶性质的影响，并优化了生长工艺。研究了GaN生长初期阶段表面形貌的演变及相关的动力学生长行为。使用图形衬底技术，通过周期排列掩模阻断位错延伸，降低了GaN单晶中位错密度。使用失配更小的6H-SiC衬底有效降低了GaN单晶外延层的应力，提高GaN的晶体质量。6H-SiC衬底具有更小的晶格失配和热失配，所生长的GaN单晶残余应力更小，单晶质量更高。设计新型衬底，将GaN单晶中残余应力降低一个数量级。由于蓝宝石衬底的失配对GaN单晶质量影响较大，通过减薄衬底，并将其用柔性金属键合在热导率更高的Si单晶衬底上，设计制备了新型复合衬底。使用这种衬底HVPE生长GaN单晶，既减小了残余应力，又有利于生长时提高衬底上温度分布的均匀性，获得了质量更高的GaN单晶。采用不同腐蚀方法对HVPE-GaN进行了腐蚀，确定了不同腐蚀方法各自最佳腐蚀条件，估算位错密度。研究了GaN单晶腐蚀规律，从而实现了腐蚀形貌的可控。利用腐蚀衬底进行GaN单晶生长，晶体质量得到了明显的提高。在腐蚀程度更高的情况下，自剥离得到自支撑GaN单晶。利用EBSD技术分析GaN单晶中应力与晶体取向关系，将结构与性质进行结合分析。通过EBSD得到菊池衍射花样，确定异质外延结构的晶体取向关系，研究了晶体取向与晶格畸变的关联，并计算出不同晶体取向时的晶格应力，研究GaN单晶中应力分布情况。利用固相反应方法合成物相单一、纯度高GaN粉末材料，并用两步法成功制备出物相单一的GaN纳米晶。在室温离子液体系中合成出GaN纳米晶。利用助熔剂通过自发成核生长了厚度达到毫米量级的GaN单晶，并研究了反应压力、温度对GaN单晶生长的影响。