Ⅲ族氮化物半导体材料AlGaN,是制备紫外和深紫外微电子及光电器件的基础,受到广泛关注。金属有机化学气相沉积（MOCVD）是生长AlGaN薄膜的重要方法,主要包括气体输运、气相反应和表面反应三个阶段。但要高效生长高质量的AlGaN薄膜依然很困难。气相反应和表面反应是薄膜生长的关键步骤,目前存在的问题无疑都与这二者有关。因此,深入理解反应机理并构建完整的反应路径可为优化生长提供理论指导,这具有重要的科学意义和实用价值。本文先全面详细地综述了近30年来国内外关于MOCVD生长AlGaN的研究现状,发现目前还存在薄膜生长速率低、薄膜中Al组分低、高Al组分AlGaN的p型掺杂困难和薄膜表面形貌差等问题。然后对影响薄膜生长的关键因素反应机理进行研究,具体采用了量子化学理论,并结合化学反应动力学、热力学理论对气相和表面反应机理进行分析。本文的主要工作和成果归纳如下:（1）计算研究了MOCVD生长AlGaN气相过程中的低聚反应路径,分析得到低聚物的最终稳定产物。研究结果修正了前人的观点,本文认为纯粹的气相AlN/GaN分子理论上不会由聚合反应路径产生。此外发现:铝氨基物（（CH₃）₂AlNH₂,缩写:DMAlNH₂）聚合能力强,且它的存在能促进镓氨基物（（CH₃）₂GaNH₂,缩写:DMGaNH₂）形成异质聚合物,从而导致Ga源前体的消耗。（2）计算研究了MOCVD生长AlGaN过程中的气相纳米粒子的形核路径,揭示了纳米粒子的形成机理。三聚物（[（CH₃）₂XNH₂]₃,X=Al或Ga,缩写:[DMXNH₂]₃）是纳米粒子核的主要来源,具体体现在三聚物的分解产物易通过配位键发生自聚合或与其他气相物质聚合,生成纳米尺寸的大分子。这些大尺寸分子极有可能发展为以X-N键为骨架的纳米粒子核。此外,还从机理上成功地解释了前人提出的“气相清除效应”:含Al物质比含Ga物质聚合能力更强,含Al物质容易聚合含Ga物质形成异质聚合物,对Ga源前体产生清除作用。（3）计算研究了MOCVD气相过程中p型掺杂剂Cp₂Mg的反应路径,首次提出Cp₂Mg完整的气相反应机理,并通过前人的实验现象和结果进行了验证。从理论上揭示了Mg-N-H络合物产生的具体过程,进而解释了p型掺杂的“记忆效应”。Cp₂Mg主要有相互竞争的加合路径和分解路径。对于加合路径,低温范围内,Cp₂Mg可能与NH₃加合形成络合物Cp₂Mg:NH₃或Cp₂Mg:（NH₃）₂。分解路径主要有三条:自分解路径、氢解路径和氨解路径。自分解路径虽然能产生有利的掺杂产物Mg原子,但反应能垒及分解温度较高,理论上很难进行。氢解和氨解路径由于有H或NH₂自由基的参与,反应能垒及分解温度较低,但有利产物为络合物不利于掺杂。（4）采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算研究了不同Al组分AlGaN的本征结构及掺杂结构。研究发现:影响晶体结构稳定性的因素是Al组分而非原子的空间占位;具有高Al组分晶体结构的稳定性较好的原因是:Al-N键键能较强,且它的增多对AlGaN晶体具有“压缩效应”,并造成Ga-N、Mg-N和Si-N键的键能增加。更重要的是,推断出高Al组分AlGaN单晶薄膜生长困难的本质原因是动力学不利而非热力学不利。此外,研究了不同Al组分的AlGaN（0001）和（0001^<sub>）面在不同覆盖物质下的表面结构。发现影响表面稳定性的重要因素为表面原子的配位原子数、表面电子分布的均匀性和表面上各键的结键强度。对于表面Al组分相同的AlGaN（0001）面,NH₂和NH₃覆盖时的表面稳定性优于N和NH覆盖,且表面稳定性随表面Al组分增加而变好。而对于H覆盖的（0001^<sub>）面,其稳定性随表面Al组分增加而变差。（5）采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了Ⅲ族前体和掺杂前体在NH₂覆盖的AlGaN（0001）面上的表面反应,得到前体在表面上的吸附结构、成键机制和吸附能。研究发现:能发生化学吸附的吸附位只有T4和H3两种;表面形成的X-N键成键机制为X（sp）杂化轨道与N（p）轨道提供成键电子,吸附表面的Al组分和吸附位置对成键机制无影响,但对表面成键的键能有影响;富Ga（0001）面和H3吸附位更有利于前体的吸附生长。原子前体、含Al前体以及n型掺杂前体更容易吸附生长。