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扫描上方二维码新书7折入口 目录 序 原书前言 原书致谢 第1章氮化镓材料的性能及应用 11历史背景 12氮化物的基本性质 121微观结构及相关问题 122光学性质 123电学性质 124AlGaN/GaN异质结构中的二维电子气（2DEG） 13GaN基材料的应用 131光电子器件 132功率电子器件和高频电子器件 14总结
致谢 参考文献 第2章GaN基材料：衬底、金属有机物气相外延和量子阱 21引言 22块体GaN生长 221氢化物气相外延（HVPE） 222钠助溶剂生长法 223氨热生长 23金属有机物气相外延生长 231氮化物MOVPE基础知识 232异质衬底上外延 233通过ELOG、FACELO等方法减少缺陷 234原位ELOG沉积SiN 235氮化物掺杂 236其他二元和三元氮化物生长 24InGaN量子阱的生长及分解 241InGaN量子阱在极化、非极化以及半极化GaN衬底 上的生长 242铟含量分布波动的原因 243InGaN量子阱的均质化 244量子阱的分解 25总结 致谢 参考文献 第3章毫米波用GaN基HEMT 31引言 32GaN毫米波器件的主要应用 321高功率应用 322宽带放大器 3235G 33用于毫米波的GaN材料应用设计 331与其他射频器件的材料性能对比 332射频器件中的特殊材料 34毫米波GaN器件的设计与制造 341各种GaN器件关键工艺步骤 342先进的毫米波GaN晶体管 35MMIC功率放大器概述 351基于ⅢN器件的MMIC技术 352从Ka波段到D波段频率的MMIC示例 36总结 参考文献 第4章常关型GaN HEMT技术 41引言 411AlGaN/GaN HEMT阈值电压 42GaN HEMT“共源共栅”结构 43“真正的”常关型HEMT技术 431凹栅HEMT 432氟技术HEMT 433凹栅混合MIS HEMT 434p型GaN栅HEMT 44其他方法 45总结 致谢 参考文献 第5章垂直型GaN功率器件 51引言 52用于功率转换的垂直型GaN器件 53垂直型GaN晶体管 531电流孔径垂直电子晶体管（CAVET） 532垂直型GaN MOSFET 54GaN高压二极管 55GaN pn二极管雪崩电致发光 56GaN的碰撞电离系数 57总结 致谢 参考文献 第6章GaN电子器件可靠性 61引言 611GaN HEMT的可靠性测试和失效分析 62射频应用中GaN HEMT的可靠性 621AlGaN/GaN HEMT 622InAlN/GaN HEMT 623射频GaN HEMT中的热问题 63GaN功率开关器件的可靠性和鲁棒性 631掺碳GaN缓冲层中的寄生效应 632p型GaN开关HEMT中的栅极退化 633GaN MIS HEMT中阈值电压不稳定性 64总结 致谢 参考文献 第7章发光二极管 71引言 72最先进的GaN发光二极管 721蓝光二极管 722绿光二极管 73GaN白光LED：制备方法和特性 731单片发光二极管 732磷光体覆盖的发光二极管 74AlGaN深紫外LED 741生长高质量AlN和提高内量子效率（IQE） 742基于AlGaN的UVC LED 743提高光提取效率（LEE） 75总结 致谢 参考文献 第8章分子束外延生长激光二极管 81引言 82等离子体辅助分子束外延（PAMBE）ⅢN族材料的生长 原理 821N通量在高效InGaN量子阱材料中的作用 83宽InGaN量子阱——超越量子约束的斯塔克效应 84AmmonoGaN衬底制备的长寿命激光二极管 85隧道结激光二极管 851垂直互连的激光二极管堆 852分布式反馈激光二极管 86总结 致谢 参考文献 第9章边缘发射激光二极管和超辐射发光二极管 91激光二极管的历史与发展 911光电子学背景 912GaN技术突破 913氮化物激光二极管的发展 92分布式反馈激光二极管 93超辐射发光二极管 931超辐射发光二极管的发展历史 932基本SLD特性 933SLD优化面临的挑战 94半导体光放大器 95总结 参考文献 第10章绿光和蓝光垂直腔面发射激光器 101引言 1011GaN VCSEL的特性和应用 1012GaN VCSEL的简史和现状 1013不同DBR结构GaN VCSEL 102不同器件结构的散热效率 1021器件热分布模拟 1022热阻Rth对谐振腔长度的依赖性 103基于InGaN量子点的绿光VCSEL 1031量子点相对于量子阱的优势 1032InGaN量子点的生长及其光学特性 1033VCSEL的制备过程 1034绿光量子点VCSEL特性 104基于蓝光InGaN量子阱局域态和腔增强发光效应的 绿光VCSEL 1041谐振腔效应 1042谐振腔增强的绿光VCSEL的特性 105基于量子阱内嵌量子点有源区结构的双波长激射 1051量子阱内嵌量子点（QDinQW）结构特性 1052VCSEL激射特性 106具有不同横向光限制的蓝光VCSEL 1061折射率限制结构的设计 1062LOC结构VCSEL的发光特性 107总结 参考文献 第11章新型电子和光电应用的2D材料与氮化物集成 111引言 112用氮化物半导体制造2D材料异质结构 1121转移在其他衬底上生长的2D材料 11222D材料在Ⅲ族氮化物上的直接生长 1123氮化物半导体薄膜的2D材料生长 113基于2D材料/GaN异质结的电子器件 1131基于MoS2/GaN异质结的带间隧道二极管 1132具有Gr基和Al（Ga）N/GaN发射极的热电子 晶体管 114基于2D材料与GaN结的光电器件 1141具有Gr透明导电电极的GaN LED 1142MoS2/GaN深紫外光电探测器 115Gr在GaN HEMT热管理中的应用 116总结 致谢 参考文献 ◆ 前言：◆ ________________________________________ 原书前言 如今，氮化镓（GaN）和其他相关材料（三元AlGaN、InGaN以及四元InAlGaN）广泛应用于光电子器件制造。此外，这些氮化物中有一些可以用作半导体材料，应用于高效节能的电子器件。因此，对于现代电子学和光电子学的变革和发展，人们常半开玩笑地将其称作“GaN化”。 多位业界一流专家对本书的编写贡献了宝贵意见。我们希望通过本书对GaN基技术在功率电子和光电子器件两大领域的最新发展情况进行整体介绍。 本书第1章整体介绍了GaN及相关材料的性能及应用。首先介绍了历史背景，讨论氮化物研究史上的里程碑事件。其次着重介绍了InGaN量子阱和AlGaN/GaN异质结构，二者对于发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和高电子迁移率晶体管（HEMT）至关重要。最后介绍了氮化物材料在光电子器件、功率电子和高频电子领域的应用，本书的其他章节还会对相应的关键问题进行详细阐释。 典型的氮基器件由多层异质结构构成，该结构需要在合适的基体上进行外延生长。因此，第2章的开头部分就讨论了一些最新研究的GaN晶体生长工艺。随后，本章介绍了生长GaN最常用的外延法，即金属有机物气相外延（MOVPE），本章还介绍了MOVPE过程中外延温度、异质衬底沉积造成的影响、降低高穿透位错密度的方法，以及提高导电性，制造p型半导体掺杂技术的难点。本章有一部分专门介绍InGaN量子阱，量子阱在发光器件领域有重要的应用价值，但在分解的组分均匀性和热稳定性方面，仍然存在严重的问题。 关于高频电子方面，当前对于毫米波（mmW）带宽30~300GHz的研究热度持续攀升，因为其短波长和宽频带的特点，能使更小的器件发挥更好的性能。无线通信系统正扩展至更高频段。但是，为了成功应用毫米波频谱，还需解决若干问题。本书的第3章专门介绍了GaN基器件在毫米波方面的应用，预期的应用范围包括高功率放大器、宽带放大器和5G无线网络。对不同GaN基材料在毫米波频谱的应用设计进行介绍，能体现其高频应用方面的优势和局限性。本章还对器件设计和毫米波GaN器件制造进行了分析。本章的最后对单片微波集成电路（MMIC）功率放大器进行了整体介绍。 GaN还被视为功率电子领域颇具前景的半导体材料。由于二维电子气（2DEG）特性，AlGaN/GaN HEMT常用作常开型器件。然而，很多功率电子系统需要常关型晶体管。因此，第4章回顾了当前常关型GaN HEMT技术。首先，简单介绍制备HEMT的“共源共栅”技术，重点关注该方法的优势和局限性。随后阐释凹栅HEMT技术和氟技术HEMT，重点关注凹栅混合金属绝缘半导体高电子迁移率晶体管（MIS HEMT）和p型GaN栅HEMT。以上都是当前最具前景和最稳定的常关型GaN HEMT制造技术。本章还将讨论上述技术（如异质结构设计、栅极介电层、金属栅极）最关键的问题。 对于功率电子领域，为了降低导通电阻并增大电流能力，相较于水平结构，垂直型器件拓扑结构更受青睐。因此，第5章对基于体GaN衬底的垂直型器件进行了概述。GaN技术领域，过去10年所开发的二端器件和三端器件，垂直型结构独领风骚，处于主导地位。本章还特别讨论了两种不同的垂直型器件，分别是电流孔径垂直电子晶体管（CAVET）和氧化栅层间场效应晶体管（OGFET），这是一种可再生沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。此外，本章还介绍了碰撞电离系数的最新研究。 如果没有对稳定性和可靠性问题的深入研究，基于GaN的射频、微波以及毫米波功率放大器应用就不可能得到发展。GaN HEMT的可靠性问题极为重要，第6章对GaN HEMT在射频、微波以及功率开关晶体管中的最重要可靠性问题进行了讨论。讨论射频AlGaN/GaN HEMT和InAlN/GaN HEMT的失效模式以及机制，重点关注与栅极边缘、热电子以及热声子相关的失效模式和热效应。对于功率开关器件，本章介绍了GaN缓冲层的碳掺杂对缓冲层动态导通电阻和随时间变化的介质击穿的影响。最后，本章讨论了常关p型GaN HEMT的栅极退化与GaN MIS HEMT阈值电压不稳定性问题。 GaN基半导体能发射的波长范围很广，发光范围覆盖紫外至黄绿光，因此是制造光电子器件的绝佳材料。第7章探讨了GaN基LED。在过去15年中，LED取得了巨大进步，达到了重构和重新定义人工照明的地步。然而，LED领域仍存在问题：电流较大时，LED发光效率就会降低。此外，这些器件在光质［比如显色指数（CRI）和相关色温（CCT）］方面的全部潜力，仍然可以通过现有的或替代的方案加以改进，本章对此进行了讨论。AlGaN深紫外发光二极管（DUV LED）具有广泛的潜在应用，包括消毒、水净化等。然而，与InGaN蓝光LED相比，AlGaN DUV LED的效率仍然很低。本章介绍了提高AlGaN DUV LED内量子效率（IQE）、电注入效率（EIE）和光提取效率（LEE）的方法。 第8章介绍了通过等离子体辅助分子束外延（PAMBE）生长Ⅲ族氮化物激光二极管（LD）的最新进展。本章介绍了PAMBE的生长基本原理，探究宽InGaN量子阱中的载流子复合，并介绍通过激发态的高效跃迁路径模型来解释实验观察结果。此外，本章还介绍了通过PAMBE生长的激光器的可靠性。最后，本章讨论了隧道结（TJ）及其在器件方面的应用。 第9章介绍了氮化物半导体激光器的历史、发展过程遇到的科技挑战，以及对其未来的展望。本章还特别介绍了最新的分布式反馈（DFB）氮化物激光器及其可能的应用场景，以及少有人知，但是与激光器密切相关的超辐射发光二极管和半导体光放大器。 第10章讨论了垂直腔面发射激光器（VCSEL）。VCSEL有许多优势，包括占地面积小、低发散角的圆形光束、晶圆级测试、密集的二维阵列、良好的性价比以及较容易与光学元件耦合。蓝绿光VCSEL在可见光通信、全彩显示和微激光投影仪等应用中尤为重要。特别值得一提的是，基于InGaN量子点（QD）和量子阱（QW）的不同VCSEL概念，本章还讨论了VCSEL的发展现状，以及不同器件的设计方法。 最后，第11章展示了2D材料（石墨烯和MoS2）与氮化物半导体在电子学和光电子学方面的最新进展。本章还将两类材料的优势和局限性考虑在内，讨论了用两种材料制作异质结的最新方法。随后，本章呈现了基于2D材料/氮化物异质结构电子器件的几个实例，如Gr基热电子晶体管（HET）、用于太赫兹的Al（Ga）N/GaN发射器，以及用于超低功耗数字电子的p+型MoS2/n+型GaN异质结的带间隧道二极管。本章还讨论了基于2D材料与GaN集成的光电子器件（LED和光电探测器）。 希望读者能喜欢本书，并且在功率电子和光电子器件领域不断学习探索，发现更多关于氮化物半导体的新知识。
原书致谢 我们要感谢对撰写本书期间进行持续讨论交流的所有作者。也感谢他们对我们频繁提出的规定截稿时间耐心地合作。其中，特别说明一点，感谢我们意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所（CNRIMM）的同事和波兰科学院高压物理研究所（UnipressPAS）的同事热情地接受了这项辛苦的工作。 此外，我们要感谢2017—2019年CNRPAS合作协议双边项目ETNA“新型AlGaN/GaN异质结构的能源效率”和意大利共和国与波兰共和国2019—2020年双边项目GaNIMEDE“氮化镓创新微电子器件”的支持。 最后，特别感谢Wiley出版社的编辑和工作人员，他们一直协助我们编著本书，并在出版过程中进行了认真审稿。 序 微电子技术显著推动了信息化社会的发展，尽管目前硅材料占了整个半导体材料的绝大部分（90%以上），但第三代宽禁带与超宽禁带半导体由于其优异的性能越来越得到重视，其中宽禁带半导体商用化程度越来越高，在航空、航天和国防装备等领域的应用也有了很大的进展，包括氮化镓、碳化硅等，而超宽禁带半导体包括金刚石、氧化镓和氮化铝等研究也有了进展。 在第三代宽禁带半导体技术领域中，研究发现氮化镓（GaN）及其相关材料（如三元AlGaN、InGaN和四元InAlGaN）由于其独特的优异性能已经广泛用于光电子器件中；本书通过对多层异质结工艺、不同新型垂直器件结构、AlGaN/GaN和InAlN/GaN器件的失效机制、最新的分布式反馈（DFB）氮化物激光器和垂直腔面发射激光器（VCSEL）等关键技术问题的研究和探索，使得“氮化镓化”取得了很多里程碑式的进步，也正是因为这些进步引领了电子和光电子器件关键技术的革新，一些有前景的氮化物半导体将在下一代功率器件中开始崭露头角，如功率电子中引入GaN基材料可以提高器件的效率并有效减少电力损耗。因此在未来发展中，氮化物器件相比于其他化合物半导体显得有更好的发展前景。 氮化镓基技术对于现代电子学和光电子学的变革和发展进程将产生重大影响，“氮化镓化”将推动现代社会在光电子器件、功率电子和高频电子领域的应用。 成立于2010年4月的中咨高技术咨询中心有限公司（高技术中心）是中国国际工程咨询有限公司（中咨公司）的全资子公司，为推动国内第三代宽禁带半导体技术，瞄准技术前沿，组建相关专家进行本书的译校工作。 希望本书对从事第三代宽禁带与超宽禁带半导体技术研究的学者、研究人员和高校学生提供有益的帮助，并提供新的思路和探索科学问题的方法，共同推动第三代宽禁带与超宽禁带半导体技术的发展。
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发表于 2023-7-17 13:37:58
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