使用数值模拟的方法, 对氢化物气相外延(HVPE)生长α-Ga2O3材料的温度和反应源气流进行了优化。区别于传统的在反应腔内HCl或Cl2携带Ga源的结构, 使用了外置Ga源的方法, 可以较准确地调整GaCl/GaCl3的组分占比、摩尔分数和浓度。另外, 使用分子模拟软件Gaussian计算得到GaCl3与O2反应的活化能, 通过实验数据拟合得到α-Ga2O3相变为β-Ga2O3的反应活化能。在此基础上, 对生长温度、GaCl/GaCl3的组分占比进行了模拟, 并给出了α-Ga2O3的优化生长条件。

GaN膜在传统生长过程中主要通过异质外延获得, 这往往会产生晶格失配和热失配, 给GaN带来严重的位错和应力。目前降低位错最广泛的方法是使用侧向外延技术。在这项工作中, 首先在蓝宝石基GaN衬底上沉积了一层SiO2, 并用光刻的方法将其制备成高掩膜宽度(窗口宽度20 μm/掩膜宽度280 μm)的宽周期掩膜, 再通过氢化物气相外延(HVPE)侧向外延了厚度为325 μm的GaN厚膜, 通过胶带可以将其进行剥离形成自支撑衬底。同时通过二维的Wulff结构图研究了GaN生长过程中晶面的变化趋势。宽周期掩膜法对于生长可剥离的低位错密度自支撑GaN有着重大意义。

建立了用于生长直径为15.24cm(6inch)的Ga2O3材料的氢化物气相外延(HVPE)生长腔的二维几何模型，对Ga2O3材料的生长进行了数值模拟。依次优化了GaCl进气速度、O2进气速度、喷口到衬底间的距离等关键参数，在较高生长速率下使衬底上的Ga2O3膜厚相对均匀度达到7.02%。此外，对仿真中不同的反应活化能设置进行了对比实验，发现活化能参数虽然对平均生长速率有明显影响，但是对样品的生长速率分布及均匀性影响不大。

利用FLUENT软件对3种环形分隔进口(4环、8环、12环)的氢化物气相外延(HVPE)反应器的生长均匀性进行了二维数值模拟研究。分别考虑输运模型和输运-生长模型, 模拟过程保持相同的GaCl、NH3及N2气体进口流量。结果显示: 在只考虑输运的模型中, 反应室流动均匀性随着进口环数的增多而改善。8环进口时, 衬底上方温度分布最均匀; 4环进口时, 衬底上方的GaCl浓度较高, 但均匀性最差, Ⅴ/Ⅲ比也较低; 8环及12环进口可得到均匀的GaCl浓度分布及较高的Ⅴ/Ⅲ比。在包括输运和GaN生长的模型中, 尽管8环进口反应器衬底上方的GaCl浓度低于12环进口反应器, 却因其较薄的边界层厚度而导致较高的生长速率, 并且生长均匀性较高。因此, 8环进口反应室更有利于GaN的HVPE生长。

通过介绍蓝宝石衬底上生长氮化铟(InN)单晶薄膜的发展历程, 阐述了生长该单晶薄膜的几种方法及生长过程中存在的一些问题和改进措施, 说明了生长高质量InN单晶薄膜的有效途径, 为InN的生长及应用提供了理论与技术指导。