GaN作为第三代半导体材料因其优异的物理化学性能,被广泛应用在短波长光电子器件和高频微波器件等领域。由于同质GaN衬底的缺乏,大部分的GaN器件均是在异质衬底上外延生长制作而成,然而因为与异质衬底之间存在着大量的晶格失配和热失配,GaN基器件内部存在较多的位错和较大的残余应力,这使其稳定性和使用寿命受到严重损害。降低应力能够有效地提高器件的稳定性,而通过GaN单晶衬底同质外延生长GaN基器件能够在根本上解决这些问题。氢化物气相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)具有设备简单、生长速度快及成本低等优点,被认为是最有前景的GaN单晶生长方法。本文采用HVPE法生长GaN单晶,主要对生长条件进行了优化,通过制备低应力缓冲衬底,成功生长出应力状态均匀的GaN单晶,提高了器件的性能;利用调控生长模式多步直接生长的方法得到了自支撑GaN单晶,为GaN同质衬底的获得提供了可能;对GaN单晶的加工进行了系统研究,为进一步的同质衬底及器件制备创造条件。具体研究内容如下:(1)研究了不同温度场环境(包括恒温和变温条件)对生长的GaN晶体质量和性质等方面的影响。恒温条件下,当反应空间温度为1070℃,晶体质量相对较好。变温条件下,适当扩大反应空间温度梯度,有利于提高GaN单晶质量,当反应空间存在10℃温度梯度(即衬底温度为1070℃,出气口温度为1060℃)时,生长获得的GaN单晶质量最好。其表面形貌完整,几乎看不到任何坑的存在;GaN单晶的(002)和(102)面的HRXRD半峰宽最小,为432 arcsec和486 arcsec,比恒温条件下获得的最好的GaN单晶的半峰宽下降了 68 arcsec和26 arcsec;GaN单晶的带边发射峰较强,具有很好的光学性能。因此,适当的提高温度及增加温度梯度能够有效地提高GaN单晶生长的质量。(2)开发了一种利用激光热分解进行衬底预处理的技术,制备了一种表面形貌完整、应力低的缓冲衬底,利用此衬底生长了低应力、易剥离的GaN单晶。利用不同能量的激光处理衬底,并对处理后的衬底的表面形貌、结构及应力状态进行了系统研究。将经不同能量激光处理的衬底用于GaN单晶生长,对比研究生长获得的GaN单晶的质量,确定了最佳激光能量为7 mJ,所生长GaN的晶体质量最高:与使用普通衬底生长的GaN单晶相比,其(002)和(102)面HRXRD半峰宽分别下降了 242 arcsec及167 arcsec;光致发光光谱的带边发射峰增强,蓝光发光强度增加了四倍;载流子迁移率升高至2.230×103 cm2/Vs;并且用其制备的紫外光电探测器的稳定性得到大幅度提高。(3)在HVPE连续生长过程中通过调整V/Ⅲ改变生长模式,经过三步生长,直接获得自支撑GaN单晶。先利用两步生长获得了多孔GaN缓冲插层结构,该插层结构拥有非常高的结晶质量,其(002)和(102)面半峰宽分别为354 arcsec和397 arcsec,相比仅使用一步生长工艺(Ⅴ/Ⅱ相同)得到的GaN单晶半峰宽分别下降了 466 arcsec和493 arcsec,初步证明了多步生长提高GaN单晶质量的可行性。最终,在未处理的MOCVD-GaN/Al2O3衬底上,使用三步连续生长直接获得了 2英寸的自支撑GaN单晶,不仅具有最好的结晶质量(HRXRD半峰宽为298 arcsec,317 arcsec),而且残余应力降至0.24 GPa,同时提高了 GaN单晶的光学质量。这为获得同质衬底提供了简单、直接、低成本的生长方法。(4)系统研究了 GaN单晶不同晶面的研磨抛光方法,使用不同的研磨、抛光料对生长获得的自支撑GaN单晶进行了系统的加工研究。发现对于小尺寸的GaN晶片,使用金刚石或碳化硅研磨,其研磨效率差别不大,对GaN单晶的去除率不会产生较大影响。但是当GaN晶片增大到两英寸时,金刚石研磨料的优势凸显,而碳化硅磨料已经无法满足研磨要求,这说明磨料的硬度对研磨效果有较大影响。在抛光过程中,研磨料硬度对抛光效果影响非常小,而且硬度较大的研磨料会使精密抛光度损坏严重,增加成本。利用SiO2抛光液能够对GaN单晶进行有效地抛光,获得RMS为0.29 nm的抛光表面,并且减少了抛光布的损坏,降低了成本。因此,金刚石为最合适的研磨料,而SiO2为最合适的抛光料。对于不同GaN晶面,呈现较明显的研磨抛光差异,其中Ga面的研磨和抛光速度最慢,N面次之,m面效率最高。