GaN是一种重要的宽禁带半导体材料,广泛用于制备高亮度LED、半导体激光器和大功率电子设备。在蓝宝石（α-Al₂O₃）衬底上生长的GaN由于其与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热膨胀失配,所以在生长过程中存在较大的应力,常导致GaN薄膜的翘曲和开裂,这些缺陷的存在对于生长满足器件质量要求的GaN材料影响很大。本文利用有限元分析软件ANSYS APDL,模拟分析了蓝宝石-氮化镓异质膜系统冷却过程中系统界面应力的分布、影响因素以及残余应力的演化过程。主要研究结果如下:1、蓝宝石-氮化镓异质膜系统的界面应力沿径向整体分布均匀,只在边缘处界面应力发生突变,边缘处应力很大。在保持蓝宝石衬底厚度不变并忽略边缘效应的条件下,随着GaN薄膜厚度的增加,系统界面应力存在极大值和极小值;2、在忽略边缘效应的条件下,改变蓝宝石衬底厚度并增加GaN膜厚,系统界面应力存在极大值和极小值。值得注意的是,此极小值点总是在蓝宝石衬底与GaN膜厚度之比约为4.3左右时出现。因此,系统界面应力大小并非只取决于二者的热膨胀系数差异,界面应力受膜厚比的影响也很大;3、为了探究降温速率对薄膜系统热应力的影响,取典型的4英寸蓝宝石衬底厚度650μm,GaN膜厚150μm;进行了从生长温度（1373K）冷却至800K过程的非稳态数值模拟计算。模拟发现,由于晶格失配产生的应力要远远大于因热失配产生的应力;4、蓝宝石-氮化镓异质膜系统各向正交异性材料对系统残余应力的分布影响很大。由于异质膜界面材料性质发生突变及边缘效应,在薄膜系统界面的边缘位置应力比较集中,这里的局部应力很可能会超过材料强度而发生断裂,从而引发裂纹或分层;5、添加AlN缓冲层可以明显降低异质膜界面应力,且AlN缓冲层的最佳厚度约为60nm。