氧化镓晶体是继碳化硅和砷化镓之后发展起来的第三代半导体材料,在未来具有广阔的应用前景。由于氧化镓的低热导率、高普朗特数、对红外线的吸光性,生长大尺寸和高质量氧化镓晶体是一项具有挑战性的任务。当晶体尺寸放大,生长大尺寸晶体的热场与小热场大不相同,积累的经验也可能不适用较大的生长系统,仍需要开发和研究;由于氧化镓的低热导率和高普朗特数,通过控制熔体流动与传热得到平直界面愈发困难;材料对红外线的吸光性也使晶体直径和界面也越难保持。需要解决两个问题,一是晶体辐射吸热及尺寸放大导致的界面反转,二是晶体螺旋生长。充分了解热场是获得高质量晶体的基础,建立了直拉（CZ）生长的综合模型,模型包括了晶体和熔体中的热传输和流动以及界面的生长,涉及表面对表面的辐射热交换、介质参与的辐射、气体和熔体流动、固体与流体传热、晶体生长多个物理模块。通过数值模拟分析了自然对流、马兰戈尼、晶体旋转、坩埚旋转作用下的流动模式和温度场,了解了熔体的流动与传热规律。计算了坩埚和晶体转速各种组合下的界面形状,比较了几种晶体和坩埚旋转组合下的熔体流动模式和温度分布,得到了最优的转速组合。结果表明,晶体/熔体界面形状和熔体流动状态对晶体和坩埚的旋转速率都非常敏感。对于晶体和坩埚旋转速率的某些组合,可以实现低挠度的界面。进一步建立了包含介质内辐射的晶体生长系统动态模型,计算了炉膛温度分布、熔体温度场和流场,比较了两种辐射条件下晶体生长的温度和温度梯度、坩埚底部温度和加热器功率,对于宏观控制参数的研究有利于晶体生长系统控制器的设计和实现。计算了直拉炉内的热效率,发现直拉炉的热效率很低,设计了一种冷却系统改进了直拉工艺模型,分析了优化后直拉工艺系统晶体内温度梯度,炉内整体温度分布,晶体生长速率,界面生长速率/温度梯度的比值,并将计算结果与原来的4寸晶体生长炉作对比。发现加了冷却系统将晶体最大生长速度提高到一倍多,提高制备效率,但增加了晶体缺陷。研究了不同吸光系数晶体制备过程中界面形状的演变过程,揭示了界面形状演变过程中的内在规律。结果表明晶体生长过程中界面形状与其在红外区域的透明度有关;界面形状与熔体的温度分布和流动模式相互作用。建立了生长6寸晶体的数值模拟模型,对比了4英寸和6英寸晶体的界面演变过程、界面生长速度和界面质量,总结了氧化镓晶体尺寸放大的难点。发现由于尺寸的放大,吸光系数和晶体长度对界面辐射热传递的影响加强,加大了氧化镓晶体的生长难度。设计了晶体与坩埚尺寸2:3的直拉生长炉以扩大径向的温度梯度,比较了两种坩埚-晶体比例情况下界面形状,系统功率、晶体生长速度、界面生长速率/温度梯度的比值和界面演变过程。结果表明与小坩埚相比,大坩埚提高了晶体生长速率,界面变平,质量变差,但是熔体自由表面的温度梯度增加,有助于防止晶体螺旋转变。研究了坩埚转角对界面形状的影响,并通过调整参数成功用大坩埚长出了良好的晶体界面。氧化镓具有很高的熔点,极易发生螺旋生长,这种材料无法长出更长的圆柱形晶体。目前螺旋生长的机理不明确,触发因素很多,外因和内因都有。我们认为自动重量控制是迫使晶体扩口呈螺旋状生长的一个外在因素。建立了弯月面动力学模型,研究了自动重量控制下直径的稳定性。螺旋形生长的开始可能是由于某些外部因素引起的,但氧化镓材料本身有自发形态转变的内在倾向,用系统变量刻画了氧化镓形态转变的不同过程,建立了螺旋生长的定量模型,提出了衡量螺旋倾向的量化指标,揭示了螺旋生长的内在机理。比较了吸光系数、体积、长度、螺旋个数和马兰戈尼效应对螺旋生长影响的大小。结果表明,材料的吸光性和马兰戈尼效应是导致螺旋生长重要的内因。设计了新的反光屏可有效抑制晶体形态转变。