碳化硅(SiC)材料因禁带宽度大(3.2 eV)、击穿电场高(达到4×106V/cm以上)、热导率大(4.9 W/cm·K)、电子饱和漂移速度高(2×107cm/s)、热稳定性和化学稳定性好等独特的物理和电学特性,成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料,在通信、雷达等方面有着广泛的应用前景。在频率从射频直到毫米波的高频放大器的应用方面,主要有两种晶体管在发展应用:碳化硅金属半导体场效应晶体管(SiC MESFET)和Ⅲ-Ⅴ族高电子迁移率场效应晶体管(Ⅲ-Ⅴ HEMT)。而对于SiCMESFET器件来说,已经有一些种类的商业产品出现。　　 本论文全面开展了S波段SiC MESFET器件的设计、工艺、性能测试及模拟研究。获得的主要结果如下:　　 1.SiC的多型控制是外延生长的一个难题,需要考虑、选择反应腔内气体抽速、源与衬底的间距、外延生长温度等诸多的参数。用8°偏角3英寸4H-SiC高纯半绝缘衬底,在中国电科第55研究所进行了外延材料的结构设计和4H-SiC的三层同质外延生长的研究。XRD、Raman、SEM、SIMS、汞探针C-V等表征结果显示所获得的外延层为晶体质量良好的4H-SiC薄膜材料,厚度不均匀性≤1％,掺杂浓度不均匀性≤5％,生长的MESFET结构的SiC材料方块电阻不均匀性为2％～5％,这表明SiC外延材料的生长技术国内领先水平。该材料用于制备小栅宽的SiC MESFET器件显示了良好的微波性能,在fo=2GHz、Vds=64V条件下,测试的连续波输出功率达到4.1w,小信号增益大于10dB,效率35.5％,从而证明了所设计和生长的4H-SiC外延层的质量能够满足器件制备的要求。　　 2.金属栅/SiC界面特性的控制、肖特基金属栅的形成、源、漏欧姆接触的实现等是Sic器件制备的关键工艺技术,需要设计可行的工艺流程、利用最优的工艺技术、选择并优化工艺参数。设计SiC MESFET器件结构和制造工艺中,对于栅挖槽的4H-SiC MESFET,栅肖特基接触的界面经干法刻蚀和ICP工艺条件的优化,刻蚀不均匀性小于5％;牺牲氧化有效提高了器件的夹断特性,从-30V提高到-12V,而且保证了可靠性。通过剥离蒸发及快速退火形成Ni/4H-SiC欧姆接触,接触电阻率仅为8.85×10-7,接触电阻Rc仅为3.97Ω,性能指标已达国际先进水平。采用Ti/Pt/Au多层金属结构,利用蒸发和剥离工艺实现肖特基金属栅,有效降低了栅电阻,栅的肖特基理想因子接近于1。采用溅射工艺实现金属互连,形成的金属空气桥在键合工艺保持良好牢度,保证了制成的4H-SiC MESFET直流夹断特性良好,饱和电流密度360mA/mm,跨导为32mS/ram,达到国内先进水平。　　 3.发展应用型大栅宽S波段SiC MESFET器件,至关重要的是在保证一定功率增益(＞8dB)的情况下保持小栅宽(1mm)时的功率密度。通过对大栅宽4H-SiC MESFET功率管的版图设计、制作工艺和微波性能的比较及优化,采用半绝缘衬底上生长的SiC三层外延片,制备的单胞总栅宽1mm、3.6mm、9mm、20mm的芯片在S波段2GHz频率脉冲测试条件下输出功率分别为4.1W、18.3W、38W、80W,功率密度都超过了4W/mm,同时功率增益都超过了8.5dB,器件的性能指标为国内领先、国际先进水平。　　 4.以所制备的20mm栅宽的SiC MESFEI管芯通过内匹配和功率合成而制成大功率脉冲功率管。每个功率管由4个MESFET管芯通过后道装架工艺封装在钨铜管壳中,采用RC偏置电路和Wilkinson型功分器合成;功率管的一半由两个SiC MESFET芯片组成,再通过内部组合而成,每一半可以分别针对S波段运用进行匹配。该功率管在2GHz、工作电压65V、脉冲宽度300ms、占空比10％时的微波功率特性为输出功率280W,功率增益为8.6dB,漏极效率36％。该性能指标达到了国际先进水平。　　 5.在完成初步设计的基础上进行器件性能的模拟是应用型器件设计和研制的必要环节,依据正确的模拟结果可针对性进行材料生长和工艺实验,可以少走弯路,节约大量时间成本和资金。针对SiC MESFET器件要求设计了SiC三层外延材料结构和SiCMESFET器件结构,以此为基础进行模拟,通过仿真得到了SiC MESFET器件的特性曲线,与所制备的SiC MESFET芯片的测试结果符合良好,表明所采用的设计和模拟方法可用于SiC MESFET器件的研制。依据对栅凹槽的SiC MESFET器件的设计和模拟,改进了p型缓冲层设计,调整合适的p型缓冲层的掺杂浓度和外延厚度,重新制作的20mm SiC MESFET器件的S波段脉冲输出功率100W,达到了预计的效果。