氮化铝(AlN)是一种非常重要的超宽禁带半导体材料,它具有优异的物理性质和化学性质,在制造高频大功率器件和深紫外光电子器件领域有着广阔的应用前景。作为新型半导体材料,国内关于AlN的研究仍处于起步阶段,高质量的单晶生长、半导体性能的优化以及器件和应用方面的探索还有待系统研究。物理气相传输法(PVT)具有生长速度快,晶体质量高以及可生长大体块AlN晶体的优点,被认为是未来实现AlN晶体商业化应用的理想方法。为了获得大尺寸高质量的AlN晶体,生长系统内合适的温度场是关键因素。本文利用数值模拟的方法研究了不同热场区结构的温度场分布,总结温度场变化的规律,并以此指导和优化AlN晶体生长工艺,分别通过自发成核和6H-SiC为籽晶的策略生长AlN晶体。论文的主要研究工作和结果如下:1.模拟不同热场区结构的温度场,总结装配参数等因素对温度场分布的影响规律。采用CrysMas软件模拟了加热功率、坩埚与感应线圈的相对位置、测温孔的大小对AlN晶体生长室温度场分布的影响,结果表明加热功率正比于生长温度,随着生长温度的升高,轴向和径向温度梯度都随之增加;随着坩埚从相对位置为0的位置向上移动,高温区向坩埚的下部移动,轴向温度梯度逐渐增大,径向温度梯度逐渐减小;随着测温孔直径的增加,生长室的轴向和径向温度梯度也随之增加,坩埚通过测温孔向环境热辐射的热量消耗也随之增加。2.研究生长温度对AlN晶体形态的影响,通过控制生长温度获得高质童大长径比的AlN纳米线(AlN NWs)。研究不同生长温度下PVT法自发成核生长的AlN晶体形态变化,1800~1900℃为纳米线和带状混合的AlN晶体,随着温度的升高,AlN晶体形态由纳米线逐渐向体块转变。在1800℃生长3 h条件下获得了高质量、均一且长径比高达2000的AlNNWs。对AlNNWs的光学性质、电学性质以及场发射性质进行了研究,其吸收光谱的截止边为5.94 eV,接近于AlN的带隙宽度,电导率约为1.29×l0-3Ω-1 cm-1,开启场强和阈值场强分别为6.2 V μm-1和8.5 V μm-1,实验结果展现了 AlN NWs在深紫外光电器件和场发射器件的应用潜能。3.结合坩埚与感应线圈的相对位置对温度场分布影响的数值模拟结果,优化生长工艺获得2英寸AlN多晶锭。通过结合晶体生长热力学和动力学分析以及坩埚与感应线圈的相对位置对温度场分布影响的数值模拟结果,研究不同坩埚位置对PVT法自发成核获得AlN晶体尺寸的影响。实验结果表明,坩埚相对位置在16%时,轴向温度适中,径向温度梯度较大时可以获得较大尺寸的AlN单晶颗粒。通过自发成核获得了尺寸为3×3 mm的c面AlN单晶,(002)和(102)晶面HRXRD摇摆曲线半峰宽(FWHM)分别为66.4 arcsec和94.4arcsec,证明自发成核生长的AlN晶体具有较高的结晶质量;Raman光谱分析表明随着AlN晶体厚度的增加,应力逐渐减小。以AlN多晶片作为籽晶,获得了厚度为25 mm的2英寸AlN多晶锭,并加工出厚度为600 μm、尺寸为5×6 mm的单晶片。单晶片的HRXRD测试(102)晶面的FWHM为93 arcsec,其吸收光谱截止边为294 nm,在可见光范围内透过率为80%左右,300～400 nm的紫外波段,透过率也在60%以上。4.研究6H-SiC籽晶的Si极性面上AlN晶体的生长机理,优化生长工艺,成功在获得厚度为约500 μm的2英寸AlN晶体。采用2英寸的SiC籽晶Si极性面生长AlN晶体,1810℃生长20 h成功获得厚度约为500μm的2英寸AlN晶体,并且探索了 Si极性面上AlN的生长机理。c面的6H-SiC籽晶获得c面的AlN晶体,同时EBSD结果表明SiC籽晶上生长AlN晶体的横截面都是(10-10)晶面,从而确定晶体学取向关系,可以表示为[0001]AlN//[0001]6H-SiC和[10-10]AlN//[10-10]6H-siC。此外,利用基于SiC籽晶生长获得的AlN晶体制备得光电探测器对紫外光具有优异的光响应特性。SiC籽晶Si极性面生长AlN晶体生长机理的提出和晶体学取向关系的确认对指导AlN晶体的生长具有重要的价值。