氮化物半导体技术——功率电子和光电子器件

本书概述了氮化物半导体及其在功率电子和光电子器件中的应用，解释了这些材料的物理特性及其生长方法，详细讨论了它们在高电子迁移率晶体管、垂直型功率器件、发光二极管、激光二极管和垂直腔面发射激光器中的应用。本书进一步研究了这些材料的可靠性问题，并提出了将它们与2D材料结合用于新型高频和高功率器件的前景。
本书具有较好的指导性和借鉴性，可作为功率电子和光电子器件领域研究人员和工程人员的参考用书。

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......

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

1.1历史背景

1.2氮化物的基本性质

1.2.1微观结构及相关问题

1.2.2光学性质

1.2.3电学性质

1.2.4AlGaN/GaN异质结构中的二维电子气（2DEG）

1.3GaN基材料的应用

1.3.1光电子器件

1.3.2功率电子器件和高频电子器件

1.4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

2.1引言

2.2块体GaN生长

2.2.1氢化物气相外延（HVPE）

2.2.2钠助溶剂生长法

2.2.3氨热生长

2.3金属有机物气相外延生长

2.3.1氮化物MOVPE基础知识

2.3.2异质衬底上外延

2.3.3通过ELOG、FACELO等方法减少缺陷

2.3.4原位ELOG沉积SiN

2.3.5氮化物掺杂

2.3.6其他二元和三元氮化物生长

2.4InGaN量子阱的生长及分解

2.4.1InGaN量子阱在极化、非极化以及半极化GaN衬底

上的生长

2.4.2铟含量分布波动的原因

2.4.3InGaN量子阱的均质化

2.4.4量子阱的分解

2.5总结

致谢

参考文献

第3章毫米波用GaN基HEMT

3.1引言

3.2GaN毫米波器件的主要应用

3.2.1高功率应用

3.2.2宽带放大器

3.2.35G

3.3用于毫米波的GaN材料应用设计

3.3.1与其他射频器件的材料性能对比

3.3.2射频器件中的特殊材料

3.4毫米波GaN器件的设计与制造

3.4.1各种GaN器件关键工艺步骤

3.4.2先进的毫米波GaN晶体管

3.5MMIC功率放大器概述

3.5.1基于ⅢN器件的MMIC技术

3.5.2从Ka波段到D波段频率的MMIC示例

3.6总结

参考文献

第4章常关型GaN HEMT技术

4.1引言

4.1.1AlGaN/GaN HEMT阈值电压

4.2GaN HEMT“共源共栅”结构

4.3“真正的”常关型HEMT技术

4.3.1凹栅HEMT

4.3.2氟技术HEMT

4.3.3凹栅混合MIS HEMT

4.3.4p型GaN栅HEMT

4.4其他方法

4.5总结

致谢

参考文献

第5章垂直型GaN功率器件

5.1引言

5.2用于功率转换的垂直型GaN器件

5.3垂直型GaN晶体管

5.3.1电流孔径垂直电子晶体管（CAVET）

5.3.2垂直型GaN MOSFET

5.4GaN高压二极管

5.5GaN pn二极管雪崩电致发光

5.6GaN的碰撞电离系数

5.7总结

致谢

参考文献

第6章GaN电子器件可靠性

6.1引言

6.1.1GaN HEMT的可靠性测试和失效分析

6.2射频应用中GaN HEMT的可靠性

6.2.1AlGaN/GaN HEMT

6.2.2InAlN/GaN HEMT

6.2.3射频GaN HEMT中的热问题

6.3GaN功率开关器件的可靠性和鲁棒性

6.3.1掺碳GaN缓冲层中的寄生效应

6.3.2p型GaN开关HEMT中的栅极退化

6.3.3GaN MIS HEMT中阈值电压不稳定性

6.4总结

致谢

参考文献

第7章发光二极管

7.1引言

7.2最先进的GaN发光二极管

7.2.1蓝光二极管

7.2.2绿光二极管

7.3GaN白光LED：制备方法和特性

7.3.1单片发光二极管

7.3.2磷光体覆盖的发光二极管

7.4AlGaN深紫外LED

7.4.1生长高质量AlN和提高内量子效率（IQE）

7.4.2基于AlGaN的UVC LED

7.4.3提高光提取效率（LEE）

7.5总结

致谢

参考文献

第8章分子束外延生长激光二极管

8.1引言

8.2等离子体辅助分子束外延（PAMBE）ⅢN族材料的生长

原理

8.2.1N通量在高效InGaN量子阱材料中的作用

8.3宽InGaN量子阱——超越量子约束的斯塔克效应

8.4AmmonoGaN衬底制备的长寿命激光二极管

8.5隧道结激光二极管

8.5.1垂直互连的激光二极管堆

8.5.2分布式反馈激光二极管

8.6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

9.1激光二极管的历史与发展

9.1.1光电子学背景

9.1.2GaN技术突破

9.1.3氮化物激光二极管的发展

9.2分布式反馈激光二极管

9.3超辐射发光二极管

9.3.1超辐射发光二极管的发展历史

9.3.2基本SLD特性

9.3.3SLD优化面临的挑战

9.4半导体光放大器

9.5总结

参考文献

第10章绿光和蓝光垂直腔面发射激光器

10.1引言

10.1.1GaN VCSEL的特性和应用

10.1.2GaN VCSEL的简史和现状

10.1.3不同DBR结构GaN VCSEL

10.2不同器件结构的散热效率

10.2.1器件热分布模拟

10.2.2热阻Rth对谐振腔长度的依赖性

10.3基于InGaN量子点的绿光VCSEL

10.3.1量子点相对于量子阱的优势

10.3.2InGaN量子点的生长及其光学特性

10.3.3VCSEL的制备过程

10.3.4绿光量子点VCSEL特性

10.4基于蓝光InGaN量子阱局域态和腔增强发光效应的

绿光VCSEL

10.4.1谐振腔效应

10.4.2谐振腔增强的绿光VCSEL的特性

10.5基于量子阱内嵌量子点有源区结构的双波长激射

10.5.1量子阱内嵌量子点（QDinQW）结构特性

10.5.2VCSEL激射特性

10.6具有不同横向光限制的蓝光VCSEL

10.6.1折射率限制结构的设计

10.6.2LOC结构VCSEL的发光特性

10.7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

11.1引言

11.2用氮化物半导体制造2D材料异质结构

11.2.1转移在其他衬底上生长的2D材料

11.2.22D材料在Ⅲ族氮化物上的直接生长

11.2.3氮化物半导体薄膜的2D材料生长

11.3基于2D材料/GaN异质结的电子器件

11.3