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作为新一代宽禁带半导体材料的典型代表，SiC以其宽禁带、高热导率、高饱和电子漂移速率、高击穿电场等特点，在高温、高频、大功率、抗辐射等领域具有十分广阔的应用前景。在SiC的众多多型体中，4H-SiC因其优越的电子传输性能而成为制作功率器件最合适的衬底材料，尤其是在射频和微波的低端，SiC基微波功率器件具有Si、GaAs以及其他宽禁带半导体材料无法比拟的优势，仅仅通过提高工作电压就可以获得更高的功率密度等指标。MESFET作为一种成熟的功率器件的结构形式，近年来在SiC功率器件开发方面取得了重要的进展。然而，高本征表面态和界面态是SiC区别于传统半导体材料的一个固有特性，并因此而导致了SiC MESFET器件中特有的栅延迟现象，是影响其性能提高的根本原因。
本文提出了一种带有隔离层的T型栅4H-SiC MESFET结构，即在n-有源层和表面钝化层之间通过外延工艺插入一层非掺杂的SiC高阻隔离层，使得器件导电沟道远离表面，从而大大降低表面态和界面态的影响，提高沟道区载流子迁移率，改善器件性能尤其是微波频率特性。围绕这一器件结构，本文主要从器件衬底材料制备、器件结构设计及性能仿真、结构优化、器件关键工艺、器件版图设计及样品研制等方面开展研究工作。首先，在Si基SiC薄膜材料外延生长技术研究的基础上，采用SiH4+C3H8+H2气体反应体系，通过常压化学气相淀积工艺在Si+介质层(SiO2、SiN、多孔硅)复合衬底上进行了绝缘体上碳化硅材料制备工艺的实验研究。重点通过不同“缓冲层”形成技术的选择解决了不同介质层材料与SiC外延层之间的晶格匹配和粘附性问题，利用多种现代材料微分析手段研究了外延层结晶质量随生长条件的变化规律，获得了薄膜生长机理和优化的工艺条件。采用“先硅化再碳化”的工艺方法较好地解决了SiO2/Si复合衬底上SiC成核困难以及粘附性差的问题，同时还可以有效抑制SiO2中的O原子向SiC生长膜扩散。适当降低薄膜生长温度对Si/SiN衬底上生长SiC薄膜时SiN层的“晶化”现象有一定的抑制作用，从而可以得到<111>晶向择优生长的多晶SiC薄膜。其次，利用专用器件模拟器MEDICI和ISE TCAD对4H-SiC MESFET器件的直流I-V特性、传输特性、击穿特性及其高温特性进行了模拟仿真研究，并与MATLAB编程计算的数值结果进行了对比分析。考虑SiC杂质不完全离化、载流子速度饱和以及MESFET沟道调制的特点，建立了相应的器件参数模型。与传统的MESFET器件结构相比，采用T型栅结构时由于具有更短的有效栅长，因而可以得到更大的饱和漏电流，并且降低表面陷阱效应的影响。另外，由于T型栅底部边界附近没有暴露的表面，栅极向漏极发射的电子被俘获的很少，使得漏电流增加，夹断电压也增大，从而显著改善器件的击穿特性和频率特性。在此基础上，对T型栅4H-SiC MESFET结构中的关键部分，如P型缓冲层、n沟道层、高阻隔离层的浓度和厚度，以及T型栅结构尺寸等进行了优化设计。接下来，针对T型栅4H-SiC MESFET器件研制中所涉及的部分关键工艺开展了实验研究，主要包括源漏区欧姆接触制备、栅极肖特基接触、T型栅制作中SiC材料刻蚀等。采用Ti/Ni/Au、Cr/Ni/Au、Ni/Ti/Au等多层金属在N型SiC外延层上制作了欧姆接触测试结构，利用传输线法测量其比接触电阻率，并通过合金区XPS测量分析研究了Ti、Ni、Cr等金属与SiC之间的反应过程、中间产物及其对欧姆接触特性的影响，获得了SiC材料欧姆接触形成机理和优化的制备工艺。采用Ti或Cr作为接触层金属，最终获得了10-5Ω·cm2数量级的比接触电阻率，采用Ni作为接触层时有望获得更好的欧姆接触。金半界面附近SiC层中大量C空位的形成是制作SiC欧姆接触的关键，但同时也会在界面附近产生碳化物的中间产物，必须进行有效地去除以获得良好的欧姆接触。进行了CF4+O2混合气体中SiC材料的感应耦合等离子体刻蚀和反应离子刻蚀工艺的实验研究，对比分析了两种刻蚀工艺对SiC材料刻蚀精度和刻蚀表面质量的影响，研究结果表明，采用RIE刻蚀工艺，通过降低刻蚀速率可以获得更高的刻蚀精度和更小的刻蚀表面粗糙度，是T型栅4H-SiC MESFET器件研制中首选的一种刻蚀工艺。最后，在理论和实验研究的基础上，完成了带隔离层的T型栅4H-SiC MESFET版图设计和工艺方案设计，研制出了首批具有较好器件性能的SiC微波功率MESFET器件，测试结果表明，器件最大跨导约18mS/mm，2.3GHz脉冲工作时最大输出功率1.58W，功率密度5.27W/mm，功率增益6.7dB，功率附加效率43％，最大栅延迟比0.84，可以有效抑制栅延迟现象。