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4H-SiC具有优异的物理与化学性能,是制备新一代电力电子器件的理想材料。近年来,基于4H-SiC半导体的高压高功率器件得到了广泛的研究和发展。随着器件耐压等级的提高,所需4H-SiC外延层厚度也逐渐增加;同时,为了降低4H-SiC功率器件的制备成本,增大晶圆尺寸是一种行之有效的方法,目前4H-SiC的晶圆直径已经逐步由100 mm提高至150 mm。然而,随着晶圆尺寸的增大,片内温度梯度增大,外延膜层的结构和粗糙度不易控制,缺陷的抑制难度增大;径向的源气耗尽差距加大,片内厚度和掺杂浓度分布均匀性难以保证。针对这些问题,本文开展150 mm 4H-SiC厚膜同质外延生长研究,具体研究内容与成果如下:1)基于台阶流生长模式,通过第一性原理模拟计算,研究了生长台阶高度随生长气氛的变化规律,并进行了实验验证。建立了 Si极性面4H-SiC衬底的四种C-Si双原子台阶结构模型,并在台阶边界处分别吸附C/Si原子、SiC分子以及SimCn团簇等单体,形成原子、分子以及团簇生长结构。基于第一性原理的VASP软件包,模拟计算出各生长结构的形成能,考察其随Si相对化学势的变化趋势。通过与洁净台阶表面进行对比表明,Si原子、SiC分子以及Si2C团簇均能稳定吸附于台阶边界处。对比这三种单体吸附在4H-SiC四种台阶处的形成能可知,富Si状态下4H-SiC台阶表面优先吸附Si原子,生长台阶高度为1/4c,富C状态下表面优先吸附SiC分子,生长台阶高度为l/2c或lc。通过化学气相外延技术（Chemical Vapor Phase Epitaxy,CVPE）实验验证了理论预测的源气化学势调控,乃至C/Si 比改变与生长台阶高度变化的关系,并为150 mm 4H-SiC外延生长关键工艺指明方向:采用富Si生长工艺（Si/H2=0.26‰,C/Si=0.8）进行缓冲层低速生长,生长气氛中保持较高的Si源相对化学势可以使得外延生长台阶高度为1/4c,实现衬底晶格的完整复制,有利于衬底缺陷愈合的同时,还可以得到较高的N型离化掺杂浓度;采用富C工艺（Si/H2=0.97‰,C/Si=1.55）进行外延层高速生长,生长气氛中保持较高的C源相对化学式可以实现外延生长时优先吸附的生长单体为SiC分子,将生长台阶高度稳定在1/2c或lc,在实现高速外延生长的同时,得到较好的表面粗糙度和较低的离化掺杂浓度。2)研究了 150 mm 4H-SiC外延生长时新生成的基面位错（Basal Plane Dislocations,BPD’）、滑移生成界面位错（Internal Dislocations,IDs）以及半循环位错（Half-Loop Arrays,HLAs）的形成机理。通过延长150 mm 4H-SiC外延生长过程原位刻蚀时间至10分钟,使衬底应力得到充分释放,抑制了 BPD’缺陷滑移的产生。通过观察富Si条件下生长的缓冲层、富C条件下生长的外延层以及化学势持续变化下生长的梯度层中BPD’缺陷的数量变化。发现了富Si缓冲层中BPD缺陷完全消失;富C外延层中BPD缺陷大幅度减少;梯度层是BPD’缺陷出现的决定性因素。为了减少梯度层生长过程中富余C原子深入扩散进入富Si条件下生长的具有大量C空位/空洞的缓冲层,考查了加快梯度层生长、减少C原子的扩散时间对BPD’缺陷的影响。最终通过优化外延层的Si源流量和C源流量至Si/H2=1.94‰、C/H2=2.60‰（通入源气的C/Si=1.34）,同时提高梯度层生长初始阶段的碳源流量使得梯度层开始生长时的C/Si由0.8增加至1.3,以保证整个梯度层在富C状态生长,使梯度层生长速度得到提高的同时,有效降低梯度层生长过程中富余的C源量,得到了零基面位错的150 mm 4H-SiC外延层。证实了化学势调控生长单体,不仅可以生长复制衬底晶格信息和修复衬底表面缺陷的缓冲层,而且可以生长粗糙度较好的高质量外延层。更为重要的是还可以用于指导梯度层生长气氛的调控,实现零基面位错的150 mm 4H-SiC同质外延。3)通过晶片承载盘非旋转状态下外延生长,获得生长源气耗尽的线性方式,微调进气端三路载气的比例,确保晶片表面生长氛围的一致性,使150 mm 4H-SiC 12μm厚外延层的厚度不均匀性由1.07%改进至0.30%。进一步通过线性计算三路氮气掺入流量,改善晶片径向掺杂源分布,使得150 mm 4H-SiC外延层的浓度不均匀性由8.55%改进至4.52%。使用优化后的工艺进行150 mm 4H-SiC 60μm厚膜外延生长,未发现外延层内出现BPD’缺陷或BPD’缺陷的滑移,总表面形貌缺陷密度约0.31 cm-2,2 mm×2 mm管芯良率为98.7%,片内厚度和浓度不均匀性分别为0.26%和4.49%,原子力显微镜（Atom Force Microscopy,AFM）检测 20 μm× 20 μm 的粗糙度（Roughness Mean Square,RMS）为 0.35 nm,未发现巨型台阶聚集。使用相同工艺连续重复生长,得到片间厚度与浓度均匀性分别为0.48%和5.67%,其外延层内均未发现BPD缺陷,且外延缺陷密度均低于0.42 cm-2,管芯良率均大于98%。