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氮化铝（AlN）作为第三代宽禁带半导体材料,具有高禁带宽度（6.2 e V）、高热导率（340 W/（m?K））、高击穿场强（11.7 MV/cm）、良好的紫外透过率、化学和热稳定性等优异性能,是高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底,如功率器件、深紫外发光二极管（DUV-LEDs）、紫外激光器、传感器等。物理气相传输法（PVT）被证明是一种用于生长大尺寸、高质量体块AlN单晶的最合理且最有前景的方法。尽管AlN晶体材料制备技术的研究与目前较为成熟的Si C衬底材料几乎同时起步于20世纪中后期,但AlN晶体生长具有高难度、高复杂性及高成本,近半个多世纪以来其晶体生长技术与工艺进展缓慢。由于在要求非常苛刻的晶体生长环境下开展相关实验被证明是耗时且非常昂贵,因此开展数值建模和仿真技术研究在大幅缩短研发周期及开发成本等方面具有重要意义。本文首先基于晶体生长动力学如热量传输、质量传输、气相流动等理论,采用有限元方法及C++语言自主开发了PVT法AlN晶体生长过程的对流、传质模拟仿真分析模块。基于开发的该模块,研究了坩埚位置及外形、升华界面对传质、气相流动、过饱和度及生长速率等生长动力学的影响。研究结果表明:对于自主设计的双电阻加热系统中,高埚位有利于提高籽晶前沿的径向温度均匀性及沉积界面的Al通量均匀性,从而保证晶体生长速率的均匀性,而低埚位能避免周边的多晶寄生。晶体平均生长速率随着坩埚侧壁扩张角的增大而明显提升,晶体中心区域的生长速率主要受生长条件的控制而几乎没有变化。最优的扩张角选择在15o至18o之间,有助于晶体形成微凸的生长界面。通过升华界面的中部和侧部遮挡,可以调节AlN晶体生长界面形态。此外,PVT法AlN生长速率限制项因素在AlN单晶生长研究领域一直存在争议。本文基于一系列模拟对比与分析表明:生长体系内的N2并非生长速率的限制因素,Al分压梯度才是其限制因素,而Al分压主要受控于温度场分布。AlN晶体生长过程中各种缺陷产生与应力水平相关。因此,本文基于热弹塑性理论,首次开展了PVT法AlN单晶生长三维各向异性应变及应力有限元建模及其计算模块,包括冯·米塞斯应力（VMS）有限元模块、分解剪切应力（RSS）有限元模块、总分解剪切应力（TRSS）有限元模块等;基于开发的相关模块,开展了不同热场及工艺条件下AlN单晶生长过程三维各向异性应力分布研究,并定性预测了位错及裂纹等缺陷的形成与增殖规律。研究结果表明:AlN晶体生长过程中,VMS应力超过了1.11 GPa,沿[100]方向生长时产生微裂纹和位错几率较高。生长取向从[001]转向[100]过程中,晶体内RSS应力状态从拉伸应力转变为压缩应力。对于同质外延生长,晶体厚度超过6 mm后,TRSS应力发生大幅增加,TRSS应力最大值在生长过程中始终接近生长表面。对于异质外延生长,在Si C/AlN交界面附近观察到了强烈的VMS应力波动,表明该处容易在冷却过程中引起晶体开裂。当异质外延厚度达到约4.3 mm后,TRSS应力最大值会在极短时间内从籽晶/晶体交界面转移至晶体侧面,位错的形成及增殖高风险区也会相应的从交界面转移至晶体侧面。