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3C-SiC作为众多SiC多型中的一种，它拥有高的各向同性电子迁移率和饱和漂移速率，在高频器件领域的应用更具优势。然而，受3C-SiC自身特性的限制，很难采用物理气相输运法来制备高质量、大尺寸的3C-SiC单晶。目前，主要采用化学气相沉积法在Si单晶衬底上制备3C-SiC薄膜。由于Si单晶与3C-SiC之间存在近19.7％的晶格失配和8％的热膨胀系数差异，所制得的3C-SiC薄膜中往往存在大量的缺陷和较高的残余应力，限制了3C-SiC在电子器件领域的应用。本论文以Si(100)衬底异质外延3C-SiC薄膜为研究对象，以获得高质量的3C-SiC薄膜为目标，在材料制备和表征方面开展了系统的研究工作。
本文系统研究了碳化条件对缓冲层形貌的影响，并结合3C-SiC薄膜外延生长实验，确定了最佳的碳化工艺条件，提出了缓冲层生长模型。在最佳的缓冲层上，系统研究了外延生长温度、气相C/Si比、SiH4和H2流量对非故意掺杂3C-SiC薄膜的表面形貌、生长速率和结晶质量的影响，确定了制备3C-SiC薄膜的最佳外延工艺参数。在此基础上，分别以N2和B2H6作为n型和p型掺杂气源，制备了掺杂3C-SiC薄膜，研究了N2和B2H6流量对3C-SiC薄膜表面形貌和结晶质量的影响。
对比研究了霍尔效应测试系统与拉曼光谱和傅立叶红外光谱仪对3C-SiC薄膜电学性能表征的可靠性。霍尔效应测试表明，非故意掺杂和N掺杂3C-SiC薄膜的导电类型均为n型，载流子浓度受气相C/Si比和N2流量的控制，其值可在1017～1019cm-3范围内调控;由于所用B2H6浓度较低，且生长系统背底杂质浓度较高，并未获得p型导电的3C-SiC薄膜。采用Matlab软件对3C-SiC薄膜的纵向光学声子振动模和红外反射率进行了理论计算和非线性拟合，得到了3C-SiC薄膜的载流子浓度和迁移率等信息，将拟合结果与霍尔效应测试结果进行对比发现，拉曼光谱和傅立叶红外光谱仪能够可靠地对3C-SiC薄膜的电学性能进行无损检测。
研究了3C-SiC薄膜制备条件与薄膜中面缺陷和残余应力之间的关系。采用透射电子显微镜和高分辨X射线衍射仪对3C-SiC薄膜中的面缺陷进行了细致表征，表征结果表明，缓冲层中孔洞密度越高、尺寸越大以及过低的外延生长温度、气相C/Si比和生长速率都会增加3C-SiC薄膜中层错和孪晶的密度。采用拉曼光谱仪细致表征了3C-SiC薄膜横向光学声子振动膜峰位的偏移，定量计算了薄膜中的残余应力。结果表明，不同条件下制备的3C-SiC薄膜中的残余应力均表现为拉伸应力，且都小于由热膨胀系数差异所引起的热应力，并从热应力与本征应力相互补偿的角度，探讨了3C-SiC薄膜中残余应力的补偿机制。
对比研究了高温下和低温下3C-SiC薄膜外延生长机制。研究表明，当生长温度为1350℃时，3C-SiC薄膜以岛状生长的方式进行外延生长;当生长温度为1200℃时，气相C/Si比对3C-SiC薄膜的生长机制起着重要的作用，气相C/Si比过大时，在缓冲层上形成了大量的二次晶核，打破了初期晶核的外延生长方式，使薄膜由外延生长转变为多晶生长。