本文研究了在反应气体中引入不同浓度的CO2对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法同质外延生长单晶金刚石内应力的影响，并对其作用机理进行了分析。研究发现，随着CO2浓度增加，单晶金刚石内应力逐渐减小，这是由于添加的CO2提供了含氧基团，可以有效刻蚀金刚石生长过程中的非金刚石碳，并能够降低金刚石中杂质的含量，从而避免晶格畸变，减少生长缺陷，并最终表现为单晶金刚石内应力的减小，其中金刚石内应力以压应力的形式呈现。此外反应气体中加入CO2可以降低单晶金刚石的生长速率和沉积温度，且在合适的碳氢氧原子比(5∶112∶4)下能够得到杂质少、结晶度高的单晶金刚石。

采用化学气相沉积(CVD)方法进行碳化硅(4H-SiC)同质外延生长, 生长过程中温场分布是决定外延层质量的关键因素。对CVD系统的温场分布进行了仿真研究, 并采用无偏角4H-SiC衬底进行同质外延生长实验验证。结果表明, 无偏角4H-SiC外延层中的3C-SiC多型体夹杂与生长室温场分布密切相关。实验数据验证了仿真结果, 两者的温度分布具有高度一致性, 这也证明了仿真数据的有效性。

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法，以三甲基硼为掺杂源，制备出表面粗糙度0.35 nm，XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec，拉曼光谱半峰全宽3.05 cm-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量，实现了1016~1020 cm-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后，研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响，结果表明：在硼碳比20×10-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm2/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量，降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时，样品空穴迁移率提升至 614 cm2/(V·s)。

本文基于自主设计的氮化铝生长炉，开展了四组不同工艺条件下Al极性面氮化铝籽晶同质外延生长氮化铝单晶的生长特征及其结晶质量表征研究。研究发现：不同工艺条件下生长的晶体的拉曼图谱E2(high)特征峰峰位表明，晶体内部均存在较小的拉应力；在坩埚顶部在相对较高温度2 210 ℃、坩埚底部与顶部温差42 ℃的低过饱和度生长条件下，晶体表面光滑，呈现阶梯流生长形貌，并具有典型的氮化铝单晶生长习性面，晶体初始扩张角大于40°，高分辨率X射线衍射(HRXRD)测得0002、1012反射摇摆曲线及拉曼光谱检测结果表明，该条件下生长的氮化铝晶体结晶质量优异，并可实现快速扩径。基于该生长条件，通过外延生长后成功获得尺寸45~47 mm的氮化铝单晶锭，相关表征结果表明生长的氮化铝晶体具有优越的结晶性能。

借助专业晶体生长模拟软件FEMAG和自主开发的对流、传质、过饱和度及生长速率预测等有限元模块研究了物理气相传输法(PVT)同质外延生长氮化铝(AlN)单晶工艺时的初始传热及传质过程，并分析了不同形状籽晶台对生长室内的温度场、流场、过饱和度及生长速率的影响。温度场模拟结果表明籽晶台侧部角度改变可影响籽晶表面轴向及径向温度梯度，流场及传质模拟表明籽晶台侧部角度变化对籽晶台周边的传质有巨大影响。传质及过饱和度模拟结果表明，当籽晶台侧部角度为130°时，籽晶表面温度梯度较小且可以完全抑制籽晶台侧部多晶沉积，有利于通过同质外延工艺生长出无寄生、无裂纹的高质量氮化铝单晶锭。

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。

利用水平热壁CVD方法，基于SiH4C3H8H2生长系统在n型4HSiC偏4°衬底上进行同质外延生长。通过Nomarski光学显微镜、激光共聚焦显微镜和拉曼散射光谱(Raman)，对外延层中的新形貌三角形缺陷——顶端有倒金字塔结构的三角形缺陷(IPRTD)的表面形貌、结构进行了表征，并根据表征结果提出了该新形貌三角形缺陷的产生机理。研究结果表明，IPRTD由3CSiC晶型构成；在外延生长中，位于IPRTD生长方向上游的位错缺陷所引起的表面吸附原子的2D成核生长是导致3CSiC晶型出现的主要原因。同时，外延生长过程中，生长速率和氢气刻蚀作用在［112-0］和［11-00］/［1-100］方向上的差异是导致IPRTD顶端具有倒金字塔结构的主要原因。

氮化镓(GaN)是第三代半导体材料中的典型代表。因其良好的物理化学性能与热稳定特性，是制作光电子器件及电力电子器件的理想材料。采用同质外延技术在GaN单晶衬底上制备GaN基器件是实现其高性能的根本途径。本文综述了GaN单晶衬底制备的氢化物气相外延技术、三卤化物气相外延技术、氨热法及助熔剂法(钠流法)的研究进展，并对未来可能的发展方向提出了展望。

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。