本文基于计算流体动力学原理,采用有限元分析软件对自行研制的垂直式HVPE系统制备GaN衬底材料进行了数值模拟研究。通过二维模型对温场的数值模拟发现,单独加热衬底不足以使镓舟区域满足温度要求;在镓舟附近增加一个石墨环,对石墨环和衬底同步加热,则两个温区能够同时达到温度要求。另外,气体流场对于温场的分布有显著的影响,调整石墨环的加热功率可保证反应室中合适的温场分布。二维模拟的结果还定性地描述了衬底高度与反应室气体流场以及反应物摩尔浓度的分布关系。气体出口到衬底的距离为10mm-25mm之间时,衬底上方的气体流场比较稳定,反应物摩尔浓度的分布相对均匀。通过三维的数值模拟发现,气体出口与衬底距离低于15mm时衬底上方气体的流场平稳,且随着距离的增加,衬底上方反应物的浓度均匀性提高;距离在15mm以上时,衬底上方出现涡旋,且涡旋所占据的体积会随着距离的增加而增大,反应物浓度则随着距离的增加而明显降低。最佳距离应该在13mm-15mm之间。通过改变反应物流量发现,GaN的表面沉积率线性地依赖于GaCl流量,但与NH3的流量呈现出非线性的变化关系。载气的变化对于反应室中的气体流场以及GaN的表面沉积率也有显著的影响。当主载气N2的流速在0.25m/s以下时,衬底上方的流场比较平稳,且GaN的表面沉积率相对较高。另外,不同管道及相同管道不同位置,GaN的表面沉积率随H2/N2比值变化不尽相同。呈现出的主要变化趋势是,在H2质量百分比较高的位置,GaN的表面沉积率下降,而在H2含量较低的位置,GaN的表面沉积率上升。此外,衬底的转速无论是对于气体流场分布还是反应物摩尔浓度的分布都没有显著的影响。为了改善GaN表面沉积率的均匀性,对反应室进行了优化。优化后的结果表明,GaCl的摩尔浓度和GaN的表面沉积率分布比原来的系统更加均匀,这为进一步优化反应室结构提供了依据。