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。

氮化铝(AlN)是直接带隙半导体，具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率［3.2 W/(cm·K)］、高表面声波速率(VL= 10.13×105 cm/s，VT=6.3×105 cm/s)、高击穿场强和稳定的物理化学性能，是紫外/深紫外发光材料的理想衬底，由此制作的AlxGa1-xN材料，还可以实现200~365 nm波段内的连续发光；可以制作耐高压、耐高温、抗辐射和高频的电子器件，是具有巨大潜力的新一代半导体材料。本文介绍了物理气相传输法异质外延生长AlN单晶的原理，并从碳化硅(SiC)衬底上AlN单晶生长研究历程、AlN/SiC衬底生长AlN晶体以及偏晶向SiC衬底生长AlN晶体3个方面综述了SiC衬底上异质外延生长AlN晶体的研究进展。最后简述了SiC衬底上生长AlN单晶面临的挑战和机遇，展望了AlN材料的未来发展前景。

使用物理气相传输法(PVT)通过扩径技术制备出直径为209 mm的4HSiC单晶，并通过多线切割、研磨和抛光等一系列加工工艺制备出标准8英寸SiC单晶衬底。使用拉曼光谱仪、高分辨X射线衍射仪、光学显微镜、电阻仪、偏光应力仪、面型检测仪、位错检测仪等设备，对8英寸衬底的晶型、结晶质量、微管、电阻率、应力、面型、位错等进行了详细表征。拉曼光谱表明8英寸SiC衬底100%比例面积为单一4H晶型；衬底(004)面的5点X射线摇摆曲线半峰全宽分布在10.44″~11.52″；平均微管密度为0.04 cm-2；平均电阻率为0.020 3 Ω·cm。使用偏光应力仪对8英寸SiC衬底内部应力进行检测表明整片应力分布均匀，且未发现应力集中的区域;翘曲度(Warp)为17.318 μm，弯曲度(Bow)为-3.773 μm。全自动位错密度检测仪对高温熔融KOH刻蚀后的8英寸衬底进行全片扫描，平均总位错密度为3 293 cm-2，其中螺型位错(TSD)密度为81 cm-2，刃型位错(TED)密度为3 074 cm-2，基平面位错(BPD)密度为138 cm-2。结果表明8英寸导电型4HSiC衬底质量优良，同比行业标准达到行业先进水平。

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。

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。

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。

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。

使用FEMAG晶体生长模拟仿真软件以及自主开发的PVT法有限元传质模块对全自动、双电阻加热物理气相沉积炉开展了AlN晶体生长工艺过程中不同坩埚埚位对温度场、过饱和度场及烧结体升华速率等影响的模拟仿真分析研究。模拟仿真结果表明: 在给定工艺条件下, 坩埚埚位较低时烧结体温度较高且内部温差较小, 烧结体升华表面存在较大的Al蒸气分压梯度, 各表面升华速率较快且均匀, 籽晶衬底生长前沿温度场呈微凸分布, 有利于晶体扩径及生长高质量晶体。随着坩埚埚位的上升, 低温区向坩埚壁扩展, 预烧结体内轴向及径向温度梯度增加, 籽晶衬底附近径向温度梯度逐步降低, 过饱和度区域扩大且增强。在坩埚埚位较高情况下, 坩埚内原料升华变得不均匀, 坩埚侧壁存在高过饱和区域, 极易在坩埚壁上发生大量的AlN多晶沉积。模拟分析结果与大量实际晶体生长实验后的坩埚壁处沉积现象及剩余烧结体原料形态相符, 较好地验证了模拟仿真分析结果的准确性。

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。