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氮化镓晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子器件的理想衬底材料，在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景。氮化镓衬底的电学性能对GaN基器件至关重要，本论文围绕氮化镓晶体的掺杂和电学特性调控展开研究，基于氢化物气相外延(HVPE)设备，研究了N型、半绝缘型、高纯本征型GaN材料的生长机理，分析了不同掺杂GaN材料的光电性质，阐明了掺杂对材料内部缺陷的影响机制及消除方法，主要内容如下:
1、Si掺杂GaN单晶衬底的制备。通过HCl气体与SiH4气体混合的方式来提供杂质源气体，解决了热壁系统中SiH4气体在输运过程中容易分解这一难题，实现了Si掺杂GaN单晶衬底的制备。研究了Si杂质在GaN材料内部掺入效率与生长温度、SiH4流量、NH3流量、HCl(SiH4)流量、N/H、HCl(Ga)等生长参数的关系，为精确调控Si掺杂浓度提供了依据。分析了掺杂浓度、位错密度等对Si掺杂GaN电学输运性质的影响，研究了高掺杂浓度情况下Si掺杂GaN的表面钝化问题，为揭示钝化机理及进一步提升Si掺杂浓度奠定了基础。实现了掺杂浓度达到2.0×1018cm-3，厚度达到5.0mm的2inchGaN单晶材料的制备。
2、Ge掺杂GaN单晶衬底的制备。通过HCl气体与Ge金属反应来提供杂质源气体，制备了Ge掺杂GaN单晶衬底。研究了Ge杂质在GaN内掺入效率的影响因素，并与Si掺杂进行了对比，证明了Ge掺杂工艺的稳定性和可靠性。分析了Ge掺杂GaN的电学性能，证明了Ge掺杂与Si掺杂的电学输运性质基本一致。研究了Ge掺杂GaN内部孔洞的起源，证明了Ge杂质在位错处的偏析是导致孔洞出现的主要原因。研究了孔洞内的光电性质，发现从孔洞中心到孔洞边缘载流子浓度不断升高。当载流子浓度高于Mott转变点时，GaN的带边发光出现展宽并且峰位也发生移动。研究了Ge掺杂对GaN材料应力状态的影响，发现Ge掺杂也会导致GaN材料内部位错倾斜，这与Si掺杂GaN的情况基本一致。实现了掺杂浓度达到2.5×1018cm-3，厚度达到3.8mm的2inchGe掺杂GaN单晶材料的制备
3、Fe掺杂GaN单晶衬底的制备。通过HCl气体与Fe金属反应来提供杂质源气体，制备了Fe掺杂GaN单晶衬底。研究了半绝缘GaN的电阻率的影响因素，发现Fe杂质浓度和非故意掺杂的Si杂质浓度是影响Fe掺杂GaN电阻率的2个主要因素。分析了Fe掺杂GaN的低温光谱，发现随着Fe杂质浓度的升高，发光光谱出现从YL向GL转变的现象，这主要与Fe杂质浓度对费米能级的影响有关。研究了Fe掺杂GaN内孔洞的起源，发现Fe杂质富集导致的台阶钉扎问题是孔洞产生的主要原因，发现孔洞内部氧杂质是导致孔洞漏电的主要原因。研究了Fe掺杂GaN孔洞的生长模式，发现孔洞内的生长模式决定了孔洞内的杂质成分和含量，而孔洞内的杂质成分分布又决定了孔洞的光电性质。通过调控生长条件，减少孔洞的产生并加速孔洞的合并，实现了电阻率达到1.0×109ohm*cm，厚度达到5.0mm的2inchFe掺杂GaN单晶衬底的制备。
4、高纯GaN单晶衬底的制备。通过采用非石英件制作反应器，并调控杂质在GaN材料内的掺入效率，实现了高纯GaN材料的制备。发现GaN材料内Si、O杂质的主要来源是高温下GaCl气体和NH3气体对石英管的腐蚀。O杂质在GaN的(0001)面掺入效率很低，基本无法掺入，而在半极性面(10-11)的掺入效率很高，因此选择合适极性的生长面对制备高纯GaN材料非常重要。通过采用无石英件反应器结合优化后的生长工艺制备了高纯GaN材料，其背底Si杂质含量低于5×1015cm-3。
1、Si掺杂GaN单晶衬底的制备。通过HCl气体与SiH4气体混合的方式来提供杂质源气体，解决了热壁系统中SiH4气体在输运过程中容易分解这一难题，实现了Si掺杂GaN单晶衬底的制备。研究了Si杂质在GaN材料内部掺入效率与生长温度、SiH4流量、NH3流量、HCl(SiH4)流量、N/H、HCl(Ga)等生长参数的关系，为精确调控Si掺杂浓度提供了依据。分析了掺杂浓度、位错密度等对Si掺杂GaN电学输运性质的影响，研究了高掺杂浓度情况下Si掺杂GaN的表面钝化问题，为揭示钝化机理及进一步提升Si掺杂浓度奠定了基础。实现了掺杂浓度达到2.0×1018cm-3，厚度达到5.0mm的2inchGaN单晶材料的制备。
2、Ge掺杂GaN单晶衬底的制备。通过HCl气体与Ge金属反应来提供杂质源气体，制备了Ge掺杂GaN单晶衬底。研究了Ge杂质在GaN内掺入效率的影响因素，并与Si掺杂进行了对比，证明了Ge掺杂工艺的稳定性和可靠性。分析了Ge掺杂GaN的电学性能，证明了Ge掺杂与Si掺杂的电学输运性质基本一致。研究了Ge掺杂GaN内部孔洞的起源，证明了Ge杂质在位错处的偏析是导致孔洞出现的主要原因。研究了孔洞内的光电性质，发现从孔洞中心到孔洞边缘载流子浓度不断升高。当载流子浓度高于Mott转变点时，GaN的带边发光出现展宽并且峰位也发生移动。研究了Ge掺杂对GaN材料应力状态的影响，发现Ge掺杂也会导致GaN材料内部位错倾斜，这与Si掺杂GaN的情况基本一致。实现了掺杂浓度达到2.5×1018cm-3，厚度达到3.8mm的2inchGe掺杂GaN单晶材料的制备
3、Fe掺杂GaN单晶衬底的制备。通过HCl气体与Fe金属反应来提供杂质源气体，制备了Fe掺杂GaN单晶衬底。研究了半绝缘GaN的电阻率的影响因素，发现Fe杂质浓度和非故意掺杂的Si杂质浓度是影响Fe掺杂GaN电阻率的2个主要因素。分析了Fe掺杂GaN的低温光谱，发现随着Fe杂质浓度的升高，发光光谱出现从YL向GL转变的现象，这主要与Fe杂质浓度对费米能级的影响有关。研究了Fe掺杂GaN内孔洞的起源，发现Fe杂质富集导致的台阶钉扎问题是孔洞产生的主要原因，发现孔洞内部氧杂质是导致孔洞漏电的主要原因。研究了Fe掺杂GaN孔洞的生长模式，发现孔洞内的生长模式决定了孔洞内的杂质成分和含量，而孔洞内的杂质成分分布又决定了孔洞的光电性质。通过调控生长条件，减少孔洞的产生并加速孔洞的合并，实现了电阻率达到1.0×109ohm*cm，厚度达到5.0mm的2inchFe掺杂GaN单晶衬底的制备。
4、高纯GaN单晶衬底的制备。通过采用非石英件制作反应器，并调控杂质在GaN材料内的掺入效率，实现了高纯GaN材料的制备。发现GaN材料内Si、O杂质的主要来源是高温下GaCl气体和NH3气体对石英管的腐蚀。O杂质在GaN的(0001)面掺入效率很低，基本无法掺入，而在半极性面(10-11)的掺入效率很高，因此选择合适极性的生长面对制备高纯GaN材料非常重要。通过采用无石英件反应器结合优化后的生长工艺制备了高纯GaN材料，其背底Si杂质含量低于5×1015cm-3。