碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，具有宽禁带、高击穿电场、高电子饱和迁移率、高热导率、耐腐蚀等优良的物理化学特性，非常适合于制作高温、高频、高压、大功率器件，在航空航天、电动汽车、智能电网、太阳能与风力发电等领域具有广泛的应用前景。经过近三十年的发展，SiC材料和器件的研究已经取得了长足的进展，并逐步走向产业化。在高压大功率领域，要使4H-SiC功率器件反向阻断电压超过10 kV，其外延层厚度需要达到100μm。对于如此厚的外延层，如果生长速率太低(＜10μm/h)，将不利于其产业化。因此，为了满足4H-SiC高压大功率器件对于外延生长速率的要求，需要研究4H-SiC的快速外延生长方法。　　化学气相沉积(CVD)技术具有能有效控制薄膜化学成分、可以生长高纯度的外延层薄膜等优点，被广泛应用于高质量半导体外延层的制备。在4H-SiC快速外延生长技术方面，水平热壁CVD和垂直热壁CVD两种系统结构都能实现4H-SiC外延层的高速率生长。相对于水平热壁CVD，垂直热壁CVD可以达到更高的生长温度，因而在提高生长速率方面更有优势。因此本论文的研究工作中，使用的生长设备为垂直热壁CVD。对所使用的垂直热壁CVD系统的生长室做了温场与流场的模拟仿真研究，并分别利用降低生长压强的方法（低压法）和添加HCl的方法（氯基法）做了快速外延生长技术的研究，克服了快速外延过程在容易遇到的Si团簇或Si滴问题，提高了外延生长速率。　　利用仿真软件对反应系统的温场和流场进行了模拟仿真。模拟了两种垂直系统的生长室结构，一种是水平的反应室项盖，一种是倾斜的反应室顶盖。两种生长室结构中，衬底中间的表面温度都比衬底外围的表面温度低，但温差不大(＜20℃)，整个衬底表面温度比较均匀。两种结构的衬底上方气流都为层流，有利于生长条件的控制。第一种结构的顶盖下方涡流比较严重，不利于生长过程中C/Si比的控制;第二种顶盖倾斜的结构是针对这个问题的改进，倾斜的顶盖可以改善反应室的涡流状况，降低了涡流的影响，涡流的改善能使生长条件中的C/Si比得到更好的控制。生长室温场和流场的模拟仿真为生长室结构的改进提供了参考，通过改进，使生长室内温度更加均匀，气流更加稳定。　　利用低压法在垂直热壁CVD系统中做了4°偏角4H-SiC(0001)面衬底上的同质快速外延生长研究。所利用的气体为传统的SiH4+C2H4+H2气体体系。结果显示，受气体质量输运的控制，吸附原子或分子的量随通入的前驱体流量的增大而线性增加，因此，生长速率随SiH4流量几乎呈线性增大趋势。H2流量在10 slm以下时，4H-SiC生长速率随H2流量的增大而增加，主要是因为H2流量的增加，减少了SiH4分解以及同质反应的量，因而减少了前驱体的损耗。温度低于1650℃时，4H-SiC外延生长速率变化不明显，但由于H2的刻蚀作用的增强，温度升高到1680℃时，生长速率逐渐下降。发现升高温度也能阻碍Si滴的形成，因为温度升高可以促进Si团簇的再分解。H2流量减少会导致表面粗糙度增加，这是由于衬底附近的实际C/Si比升高，从而使台阶聚集更加严重。表面均方根粗糙度(RMS)最低达到了0.9 nm。XRD衍射测试表明，不同厚度的外延层都为4H-SiC，不含其它晶型。摇摆曲线显示厚度的增加，晶体质量上升，这是因为衬底对外延层的影响随厚度的增加逐步减小。汞探针CV测试表明因为位竞争效应，C/Si比降低会使背景掺杂浓度升高。在垂直热壁CVD系统中，使用传统的SiH4+C2H4+H2气体体系，利用低压法进行快速外延生长，将生长速率提高到了26μm/h，并在此生长速率下，生长出了厚度为45μm的高晶体质量的4H-SiC外延层。　　利用氯基法在4°偏角的4H-SiC(0001)面衬底上进行了同质快速外延生长。所使用的气体体系为HCl+SiH4+C2H4+H2。C/Si比较低时（C/Si比为0.5），合适的Cl/Si比(0.4～2)可以改善晶体质量与表面质量，过高的Cl/Si比(＞5)反而使表面质量和晶体质量下降，出现彗星缺陷或外延层3C-SiC化。添加HCl时，4H-SiC外延生长速率随SiH4流量的变化与低压法类似，几乎呈现线性关系，依然受到气体质量输运的控制。压强太高或太低都不利于生长速率的提高，在60 Torr附近比较合适，压强太高会增强气相同质反应对前驱体的消耗，压强太低会增强HCl和H2对表面的刻蚀。压强除了会影响生长速率，也会影响外延层表面质量，在C/Si比较低时(0.5)，压强升高(＞80 Torr)会引起表面质量下降，表面上三角缺陷增多，表面质量严重下降时会包含大量3C-SiC。微区拉曼测试显示，所生长的4H-SiC外延层具有很好的晶体质量。在高生长速率(＞40μm/h)下，随着4H-SiC外延层厚度的增加，表面上三角缺陷增多。X射线衍射显示，外延层厚度增加，3C-SiC的信号增强，这与增加厚度之后表面出现更多三角缺陷的结果一致。拉曼测试显示，三角缺陷的主要构成为3C-SiC，提出了颗粒物导致三角缺陷形成的模型，认为其形成是由于颗粒物覆盖了台阶，被吸附到衬底表面的原子或分子（吸附成分）在台面上二维成核，导致了3C-SiC的生长。在垂直热壁CVD系统中，利用氯基法，将4H-SiC外延生长速率提高到52μm/h，并在46μm/h的高生长速率下，获得了厚度为96.7μm的4H-SiC外延层。