采用物理气相传输(PVT)法通过同质外延生长获得14 mm×12 mm的AlN单晶样品。对样品进行切割、研磨、化学机械抛光处理后，采用拉曼光谱仪、高分辨X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、光致发光光谱仪对样品进行测试表征。拉曼测试结果表明，晶体中心区域的拉曼光谱E2(high)声子模的半峰全宽为3.3 cm-1，边缘区域E2(high)声子模的半峰全宽为4.3 cm-1，晶体呈现较高的结晶质量。XRD摇摆曲线表征结果显示，外延生长后的晶体中心和边缘区域的摇摆曲线半峰全宽增大至100″和205″，表明晶体内存在缺陷。XPS测试结果表明，晶体内存在C、O、Si杂质元素，杂质的原子数分数分别为0.74%、1.43%、2.14%，晶体内发现以氧杂质为主的Al—O、N—Al—O等特征峰。光致发光光谱测试结果显示，晶体内存在VAlON复合缺陷和VAl点缺陷。

采用物理气相传输(PVT)法扩径获得了8英寸(1英寸=2.54 cm)4H-SiC籽晶, 用于8英寸导电型4H-SiC晶体生长, 并加工出厚度520 μm的8英寸4H-SiC衬底。使用拉曼光谱、全自动显微镜面扫描、非接触电阻率测试仪面扫描和高分辨X射线衍射仪对衬底的晶型、微管、电阻率和结晶质量进行了表征。衬底颜色均一并结合拉曼光谱表明衬底4H-SiC晶型面积比例为100%; 衬底微管密度小于0.3 cm-2; 衬底电阻率范围20~23 mΩ·cm, 平均值为22 mΩ·cm; (004)面高分辨X射线摇摆曲线半峰全宽为32.7″, 表明衬底良好的结晶质量。

碳化硅(SiC)以其宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高载流子饱和迁移率等优点，被认为是目前较具发展前景的半导体材料之一。近年来，物理气相传输(PVT)法在制备大尺寸、高质量SiC单晶衬底方面取得了重大突破，进一步推动了SiC在高压、高频、高温电子器件领域的应用。SiC粉体是PVT法生长SiC单晶的原料，其纯度会直接影响SiC单晶的杂质含量，从而影响SiC单晶的电学性质，其中生长高质量的半绝缘SiC单晶更是直接受限于SiC粉体中N元素的含量。因此，合成高纯的SiC粉体是PVT法生长高质量SiC单晶的关键。本文主要介绍了高纯SiC粉体的合成方法及研究现状，重点对气相法和固相法合成高纯SiC粉体的优缺点进行了评述，并提出了今后高纯SiC粉体合成的发展方向。

针对基于物理气相输运法的碳化硅(SiC)单晶生长系统,考虑对流换热的影响建立了传热与传质数学模型,并采用数值模拟的方法研究了其生长系统内的温度场与气相流场。研究表明: 坩埚内温度、温度梯度以及加热效率随线圈匝间距与线圈直径的增加而逐渐降低。旋转坩埚可有效解决因线圈螺旋形状而导致的温度场不均匀性。通过不断调整线圈与坩埚之间的相对高度,可保证高品质晶体生长所需的最优温度场环境。此外,坩埚内径尺寸的增加,会加剧其内部自然对流效应。

采用物理气相传输(PVT)法在AlN原料表面自发生长出大量毫米级尺寸的AlN单晶。本文对该工艺下AlN单晶的自然形貌、极性、杂质含量等进行了分析。实验及分析结果表明,在实验工艺条件下,原料表面生长的AlN晶粒具有规则的六方外形,晶粒沿C向择优生长且具有高的生长速率(约200~250 μm/h),但径向生长受限于{10-10}(m面)。不同颜色的AlN晶粒经机械切割及化学机械抛光(CMP)后,形成高表面质量的C轴取向抛光片。通过化学湿法腐蚀和SEM表征发现,淡黄色晶粒为Al极性晶体,暗棕色晶粒为N极性晶体,淡黄-暗棕混合色晶粒为Al/N混合极性晶体,其内部可以观察到清晰的两种极性分界。通过GDMS与EGA对不同颜色晶粒内部的主要杂质元素含量进行了分析,结果表明,淡黄色晶粒内氧元素的含量相比暗棕色晶粒的含量低,而碳含量则相反。

碳化硅作为第三代宽禁带半导体的核心材料之一, 相对于传统的硅和砷化镓等半导体材料, 具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高, 热导率高、临界击穿、场强高等诸多优异的性质。基于这些优良的特性, 碳化硅材料是制备高温电子器件、高频大功率器件的理想材料。近年来在碳化硅材料生长和器件制备方面取得重大进展, 对碳化硅材料特性和生长方法进行回顾, 并研究了碳化硅光导开关偏压、触发能量、导通电流之间的关系, 以及开关失效情况下电极表面的损伤情况。

为了分析物理气相传输法碳化硅单晶生长系统中的温度分布, 采用Matlab软件对PVT工艺中的热场进行了模拟。以能量方程为基础分析了由传导和辐射这两种传热方式所决定的系统的热量分配;采用有限元素法对所建立的描述连续函数的偏微分方程进行数值化离散;应用迦辽金加权残值法对由近似函数表征的离散方程转化为矩阵方程的形式;设计了平均算法计算出了系统的温度分布。更好地了解了碳化硅晶体生长过程的物理实质,以便更有效地改进生长系统, 优化工艺参数。