宽禁带半导体具备禁带宽度大、电子饱和飘移速度高、击穿场强大等优势，是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。碳化硅(SiC)材料具有热导率高、化学稳定性好、耐高温等优点，在SiC衬底上外延宽禁带半导体材料，对充分发挥宽禁带半导体材料的优势，并提升宽禁带半导体电子器件的性能具有重要意义。得益于SiC衬底质量持续提升及成本不断降低，基于SiC衬底的宽禁带半导体电子市场占比呈现逐年增加的态势。在SiC衬底上外延生长高质量的宽禁带半导体材料是提高宽禁带半导体电子器件性能及可靠性的关键瓶颈。本文综述了近年来国内外研究者们在SiC衬底上外延SiC、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)所取得的研究进展，并展望了SiC衬底上宽禁带半导体外延的发展及应用前景。

氮化镓单晶衬底上的同质外延具有显著的优势, 但是二次生长界面上的杂质聚集一直是困扰同质外延广泛应用的难题, 特别是对电子器件会带来沟道效应, 对激光器应用会影响谐振腔中的光场分布。本文通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长的原位处理, 实现了界面杂质聚集的有效抑制。研究发现, 界面上的主要杂质是C、H、O和Si, 其中C、H、O可以通过原位热清洗去除; 界面Si聚集的问题主要是由衬底外延片保存过程中暴露空气带来的, 其次是氮化镓衬底中Si背底浓度, 在外延过程中, 生长载气对氮化镓单晶衬底不稳定的N面造成刻蚀, 释放的杂质元素会对二次生长界面产生影响, 本文较系统地阐明了界面杂质的形成机制, 并提出了解决方案。

氮化铝(AlN)具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率(340 W/(m·℃))、高击穿场强(11.7 MV/cm)、良好的紫外透过率、高化学和热稳定性等优异性能,是氮化镓基(GaN)高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底材料。物理气相传输(PVT)法是制备大尺寸高质量AlN单晶最有前途的方法。本文介绍了AlN单晶的晶体结构、基本性质及PVT法生长AlN晶体的原理与生长习性。基于AlN单晶PVT生长策略,综述了自发形核工艺、同质外延工艺及异质外延工艺的研究历程,各生长策略的优缺点及其最新进展。最后对PVT法生长AlN单晶的发展趋势及其面临的挑战进行了简要展望。

利用课题组自主研发的热壁低压化学气相沉积（HWLPCVD）系统, 在朝[11-20]方向偏转4°的（0001）Si面4H-SiC衬底上进行快速同质外延生长, 研究了生长温度及氯硅比（Cl/Si比）对外延生长速率的影响机理。研究发现, 外延生长速率随生长温度的提高呈线性增加, 而Cl/Si比的改变对生长速率的影响不大。文章进一步探究了Cl/Si比对4H-SiC外延层表面缺陷的影响。较低的Cl/Si比（0.4~2）可以减少或消除三角缺陷, Cl/Si比较高（大于5）时, 表面质量反而下降, 因而, 适当的Cl/Si比对于获得表面形貌良好的4H-SiC外延层至关重要。

利用自主研发的热壁低压化学气相沉积(HWLPCVD)系统，在5.08cm(２英寸)4°偏轴4H-SiC衬底上生长4H-SiC同质外延膜。讨论了4H-SiC同质外延层中的两种扩展缺陷——彗星缺陷和胡萝卜缺陷，研究了这两种缺陷的起源与消除方法。研究发现采用化学机械抛光(CMP)方法可以有效去除扩展缺陷，提高外延膜的质量。另外，提高衬底质量和优化生长条件也可以消除这两种扩展缺陷。