随着现代社会对电子设备的依赖和更高要求,传统的硅材料已经越来越难以满足人们的需求。氮化镓作为第三代半导体材料的代表,凭借其优异的力学、热学、电学和光学特性,广泛的应用在能源动力、交通运输、信息技术以及智能制造等现代文明的核心领域。金属有机物化学气相沉积(MOCVD)是氮化镓薄膜制备中最常用的方法之一,以其具有高度的灵活性、能够量产高质量外延片的特点受到人们的青睐。氮化镓薄膜的制备过程是将三甲基镓或有机镓源通过载气与氨气分别送入反应室中,在气相和表面发生一系列化学反应,最终在高温衬底上沉积为氮化镓晶体的工业过程。为了提高氮化镓薄膜的质量,有必要充分理解氮化镓薄膜制备过程中各阶段多物理场的基本物理现象,并建立生长条件和工艺参数与多物理场和生长指标的关系。本论文采用理论分析、数值模拟和实验验证的方法相结合,针对氮化镓薄膜制备过程中的多物理场以及生长质量进行了系统地研究,主要包括:建立了MOCVD生长氮化镓详细化学反应机理,对工艺参数对反应路径的影响及各种组分的变化做了详细分析,并通过裂解实验研究了不同温度下三甲基铝裂解的产物。建立了多物理场耦合模型,给出多组分物性详细计算方法,并对模型进行了对比验证。在此基础之上,研究了入口状态(温度、流速、V/III和预混条件)以及工艺参数(压力、水冷温度、基座温度、基座转速、喷淋头高度)对氮化镓生长过程中热质输运、生长速率以及生长均匀性的影响。最后,发展了氮化镓生长优化方法,采用正交实验方法对氮化镓生长过程进行了分析,揭示了多物理场生长机理、生长指标与工艺参数之间的相关关系。通过上述研究,本文提出的机理能够为生长过程提供准确的中间过程信息,并较为准确地预测氮化镓生长速率。在大部分工艺参数范围内,氮化镓生长过程中主要以裂解反应路径为主,主要的中间产物为二甲基镓。高压力、高转速、高入口温度、大入口流速、低V/III比和低的喷淋头高度都能提高生长速率。喷淋头高度和入口流速对生长速率和均匀性影响最为显著。通过正交实验方法获得了最佳因素水平组合,对于最优生长速率组合计算得到的生长速率相比基准状态下提高114.5%,对于最优生长均匀性组合计算得到的标准差均匀度相比基准状态下降低42.7%,能较大程度提高生产品质,可为工艺控制参数优化提供指导。