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GaN和AlN是重要的第三代半导体材料，在光电子和微电子领域具有广泛的应用。而独特的物理化学性质，使其晶体生长成为非常具有挑战性的课题。本论文在已有的基础上，系统地开展了助熔剂法生长GaN单晶的研究，并对相关体系的热力学性质进行了研究，此外还开展了物理气相输运法生长AlN晶体的研究。
首先，本文对Li3N助熔剂法中GaN单晶的生长机制进行了研究。结果表明产物随着Ga/Li3N摩尔比的变化而变化。实验结果证实Li3N助熔剂法中GaN单晶的生长机制是一个基于化学反应(1) Li3N+Ga→Li3GaN2+Li和(2)Li3GaN2+Ga→GaN+Li的机制。晶体长大的关键在于Li3GN2溶于反应(1)生成的Li-Ga熔体形成Li-Ga-N三元液相。GaN晶体从Li-Ga-N三元液相中析出并在反应(2)生成的GaN颗粒上长大，其最大尺寸可以达到3mm。通过选择合适的G/Li3N摩尔比，可以有效地抑制反应(2)的发生，从而获得更大尺寸的GaN单晶。
采用Ca-Li3N复合助熔剂在800℃和0.2MPa氮气压力下生长出了最大尺寸达4mm的无色GaN单晶。发现金属Ca的加入能够在一定程度上抑制晶体的自发形核，使GaN晶体的尺寸分布更为均匀。加入金属Ca还会促进晶体的层状生长，使GaN晶体呈现典型的层状形貌。同时，Ca的加入量还对晶体的产量有着显著的影响。
利用热力学模型对Ca-Ca3N2相图进行了研究，基于已有的实验结果和文献数据，获得了一套自洽的热力学数据。通过计算熔体中N的活度发现液态金属Ca具有很强的固氮能力，极有可能成为生长GaN晶体的助熔剂。笔者还对Ca-Ga二元系进行了优化计算，获得了自洽的热力学参数。结合文献中报道的Ga-N二元相图，本文首次计算得到了Ca-Ga-N三元相图。该体系的等温截面图表明体系中存在着与(GaN+液相)两相区相邻的液相单相区，从而在理论上证明从Ca-Ga-N三元体系中能够生长出GaN晶体。
采用新的Ca3N2助熔剂在900℃，0.2MPa氮气压力下生长出了最大尺寸达1.5mm的结晶良好的柱状GaN单晶。研究表明GaN晶体的尺寸与初始原料的摩尔比、温度和生长时间密切相关。本文还提出了一个基于化学反应(1) Ga+Ca3N2→CaGaN+Ca和(2) CaGaN+Ga→GaN+Ca-Ga alloy的单晶生长机制，可以有效解释GaN的晶体尺寸与生长条件之间的关系。
采用物理气相输运(PVT)法在TaC坩埚中生长出了直径30mm，厚度12mm的AlN晶体，研究了高温原料预处理、坩埚材质和籽晶种类对AlN晶体生长的影响。实验结果表明PVT法适合于生长大尺寸、高质量的AlN单晶。