本书以作者多年的研究成果为基础，系统地介绍了III族氮化物宽禁带半导体材料与电子器件的物理特性和实现方法，重点介绍了半导体高电子迁移率晶体管(HEMT)与相关氮化物材料。全书共14章，内容包括：氮化物材料的基本性质、异质外延方法和机理，HEMT材料的电学性质，Al-GaN/GaN和InAlN/GaN异质结的生长和优化、材料缺陷分析，GaN HEMT器件的原理和优化、制备工艺和性能、电热退化分析，GaN增强型HEMT器件和集成电路，GaN MOS-HEMT器件，最后给出了该领域未来技术发展的几个重要方向。
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《半导体科学与技术丛书》出版说明
序言
第1章 绪论 1
参考文献 4
第2章 III族氮化物半导体材料的性质 6
2.1 III族氮化物的晶体结构和能带结构 6
2.1.1 GaN、AlN和InN 6
2.1.2 氮化物合金材料的晶格常数和禁带宽度 9
2.1.3 异质结界面的能带带阶 10
2.2 氮化物的电子速场关系和低场迁移率 10
2.2.1 GaN的电子速场关系 10
2.2.2 GaN和AlGaN的电子低场迁移率和速场关系解析模型 11
2.3 氮化物材料的极化效应 15
2.3.1 极性 15
2.3.2 自发极化和压电极化效应 16
2.3.3 氮化物合金材料的压电和自发极化强度 17
2.3.4 削弱极化效应的机制 19
2.3.5 极性材料和非极性/半极性材料 20
2.4 氮化物电子材料的掺杂和其他性质 21
2.5 氮化物材料性质测试分析 22
2.5.1 高分辨X射线衍射(HRXRD) 22
2.5.2 原子力显微镜(AFM) 26
2.5.3 扫描电子显微镜(SEM) 28
2.5.4 透射电子显微镜(TEM) 28
2.5.5 光致发光谱(PL谱) 29
2.5.6 电容 电压测试(C-V) 31
2.5.7 范德堡法霍尔测试 32
2.5.8 霍尔条测试SdH振荡分析二维电子气输运性质 33
参考文献 35
第3章 氮化物材料的异质外延生长和缺陷性质 39
3.1 氮化物材料的外延生长技术 39
3.2 外延生长基本模式和外延衬底的选择 42
3.2.1 外延生长的基本模式 43
3.2.2 外延衬底的选择 44
3.3 MOCVD生长氮化物材料的两步生长法 46
3.3.1 两步生长法的步骤 46
3.3.2 蓝宝石上两步法生长GaN的生长模式演化 48
3.4 氮化物材料外延的成核层优化 49
3.4.1 低温GaN成核层 49
3.4.2 高温AlN成核层 50
3.4.3 间歇供氨生长的高温AlN成核层 52
3.5 氮化物材料外延层生长条件对材料质量的影响 53
3.6 氮化物单晶薄膜材料的缺陷微结构 57
3.6.1 衬底与成核层界面的微结构——失配位错 57
3.6.2 成核层内的微结构——堆垛层错、局部立方相和反向边界 58
3.6.3 高温GaN层的微结构——小角晶界、穿透位错和点缺陷 61
3.6.4 裂纹和沉淀物 63
参考文献 64
第4章 GaNHEMT材料的电学性质与机理 66
4.1 GaN异质结中的二维电子气 66
4.1.1 GaN异质结二维电子气的形成机理 66
4.1.2 GaN异质结二维电子气的面电子密度 68
4.2 GaN异质结中导带和载流子分布的一维量子效应自洽解 70
4.2.1 一维薛定谔-泊松方程量子效应自洽解物理模型 71
4.2.2 一维薛定谔-泊松方程自洽解模型的数值算法 72
4.2.3 一维量子效应自洽解在GaN异质结中的应用 74
4.3 GaN异质结二维电子气低场迁移率的解析建模分析 77
4.3.1 GaN异质结二维电子气低场迁移率的解析建模 77
4.3.2 AlGaN/GaN异质结Al组分对迁移率的影响 80
4.3.3 晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料二维电子气输运特性 83
参考文献 86
第5章 AlGaN/GaN异质结材料的生长与优化方法 88
5.1 AlGaN/GaN异质结材料结构 88
5.2 低缺陷密度氮化物材料生长方法 90
5.3 斜切衬底生长低缺陷GaN缓冲层 94
5.4 GaN的同质外延 96
5.4.1 斜切衬底上HVPE生长GaN 97
5.4.2 HVPEGaN模板上MOCVD外延GaN 98
5.5 高阻GaN外延方法 102
5.5.1 缓冲层漏电的表征方法 102
5.5.2 位错对衬底O扩散的影响 103
5.5.3 掩埋电荷层抑制方案 105
5.5.4 GaN缓冲层背景n型掺杂的抑制 106
5.6 AlGaN势垒层的优化 107
5.6.1 AlGaN势垒层Al组分和厚度对材料2DEG性质的影响 107
5.6.2 AlN界面插入层的作用 109
5.6.3 帽层对异质结材料性质的影响 112
参考文献 115
第6章 AlGaN/GaN多异质结材料与电子器件 117
6.1 Al(Ga，In)N/InGaN/GaN材料 117
6.2 GaN沟道下引入AlGaN背势垒 119
6.3 InGaN背势垒结构 123
6.4 双/多沟道AlGaN/GaN异质结 124
参考文献 128
第7章 脉冲MOCVD方法生长InAlN/GaN异质结材料 129
7.1 近晶格匹配InAlN/GaN材料的优势及其HEMT特性 129
7.2 近晶格匹配InAlN/GaN材料的生长、缺陷和电学性质 131
7.2.1 近晶格匹配InAlN/GaN材料的生长和缺陷 131
7.2.2 近晶格匹配InAlN/GaN材料的电学性质 133
7.3 表面反应增强的脉冲MOCVD(PMOCVD)方法 135
7.4 PMOCVD方法生长InAlN/GaN异质结 136
7.4.1 外延生长压强对InAlN/GaN的性能影响 138
7.4.2 In源脉冲时间对InAlN/GaN的性能影响 139
7.4.3 外延生长温度对InAlN/GaN的性能影响 140
7.5 PMOCVD方法生长InAlN/GaN双沟道材料 142
参考文献 146
第8章 III族氮化物电子材料的缺陷和物性分析 148
8.1 腐蚀法分析GaN位错类型和密度 148
8.1.1 腐蚀坑形状与位错类型的对应关系 148
8.1.2 湿法腐蚀准确估计不同类型位错的密度 150
8.1.3 腐蚀法分析GaN的其他类型缺陷——反向边界和小角晶界 152
8.2 不同极性面材料的腐蚀形貌和成因 153
8.2.1 N面材料的腐蚀特性 153
8.2.2 非极性a面GaN的选择性腐蚀 155
8.3 斜切衬底降低位错密度的机理分析 158
8.3.1 斜切衬底上GaN的位错类型和位错扎堆现象 158
8.3.2 斜切衬底上GaN中位错的集中湮灭 159
8.4 极性对杂质结合和黄带的影响 161
8.4.1 与极性有关的杂质结合模型 161
8.4.2 杂质结合对黄带的影响 163
8.5 GaN中黄带的深受主来源 164
8.5.1 GaN中黄带与C杂质的相关性分析 164
8.5.2 对Ga空位引起黄带发光的否定性讨论 168
参考文献 169
第9章 GaNHEMT器件的原理和优化 171
9.1 GaNHEMT器件的工作原理 171
9.2 GaNHEMT器件的性能参数 173
9.2.1 直流性能参数 173
9.2.2 交流小信号跨导 174
9.2.3 截止频率fT和最高振荡频率fmax 175
9.2.4 功率性能参数 177
9.3 GaNHEMT器件性能的优化措施 178
9.4 提高器件击穿电压的场板结构仿真和实现 181
9.4.1 场板HEMT器件的仿真优化 181
9.4.2 场板HEMT器件的实现 183
9.4.3 浮空场板结构的提出、优化和实现 184
参考文献 188
第10章 GaNHEMT器件的制备工艺和性能 189
10.1 表面清洗、光刻和金属剥离 189
10.1.1 表面清洗 189
10.1.2 光刻与金属剥离 189
10.2 器件隔离工艺 190
10.2.1 器件隔离方法 190
10.2.2 常见GaN干法刻蚀方法 191
10.2.3 等离子体刻蚀的机理和评估 192
10.3 肖特基金属半导体接触 193
10.3.1 肖特基结特性参数的提取方法 194
10.3.2 GaN和AlGaN/GaN异质结上肖特基结的特性评估 195
10.3.3 不同溶液预处理对肖特基结特性的影响分析 197
10.4 欧姆接触 197
10.4.1 GaN与AlGaN/GaN的欧姆接触的设计原则 198
10.4.2 欧姆接触性能的测试方法——传输线模型 199
10.4.3 欧姆接触性能的优化 200
10.5 半导体器件的表面钝化 202
10.6 器件互连线电镀和空气桥 204
10.6.1 电镀 204
10.6.2 空气桥 204
10.7 GaNHEMT器件的工艺流程 206
10.8 GaNHEMT器件的性能与分析 208
10.8.1 器件的直流性能 208
10.8.2 器件的小信号特性 209
10.8.3 器件的微波功率性能 209
参考文献 210
第11章 GaNHEMT器件的电热退化与可靠性 212
11.1 GaNHEMT器件的电流崩塌 212
11.2 GaNHEMT器件电退化的3种机理模型 214
11.2.1 热电子注入 214
11.2.2 栅极电子注入 214
11.2.3 逆压电效应 214
11.3 GaNHEMT的电应力退化(一) 216
11.3.1 沟道热电子注入应力 216
11.3.2 栅极电子注入应力 217
11.3.3 VDS为零的栅压阶梯式应力 218
11.4 GaNHEMT的电应力退化(二) 219
11.4.1 源漏高压开态应力 219
11.4.2 栅漏高压应力——关态和开态 221
11.4.3 脉冲应力 223
11.4.4 改善HEMT器件电应力退化效应的措施 224
11.5 GaNHEMT的变温特性 225
11.5.1 温度对肖特基接触性能的影响 226
11.5.2 温度对欧姆接触性能和材料方块电阻的影响 226
11.5.3 温度对AlGaN/GaNHEMT器件特性的影响 227
11.6 GaNHEMT的高温存储特性 229
参考文献 233
第12章 GaN增强型HEMT器件和集成电路 235
12.1 GaN增强型HEMT器件 235
12.2 氟等离子体注入增强型器件的工艺与特性 240
12.2.1 增强型器件的结构和工艺 240
12.2.2 增强型器件的直流、击穿和小信号性能 240
12.2.3 氟等离子体注入器件的栅漏二极管分析 241
12.3 氟等离子体注入E-HEMT的可靠性评估 244
12.3.1 氟等离子体注入E-HEMT在电应力下的特性退化分析 244
12.3.2 氟等离子体注入E-HEMT在高温下的特性退化分析 247
12.4 氟等离子体注入E-HEMT器件的结构优化 249
12.4.1 薄势垒层常规HEMT器件 249
12.4.2 薄势垒层氟等离子体注入增强型器件 251
12.5 增强/耗尽型GaN数字集成电路 252
12.5.1 增强/耗尽型数字集成电路单元设计 252
12.5.2 数字集成电路单元的版图设计和工艺实现 253
12.5.3 数字集成电路单元的测试和抗辐照特性分析 254
参考文献 258
第13章 GaNMOS-HEMT器件 261
13.1 GaN MIS-HEMT器件的研究进展 261
13.2 高K栅介质材料的选择和原子层淀积 263
13.2.1 高K栅介质材料的选择 263
13.2.2 原子层淀积工艺 265
13.3 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的基本特性和界面态密度 266
13.3.1 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的载流子浓度分布计算 266
13.3.2 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的C-V滞后特性 267
13.3.3 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的变频C-V特性 268
13.4 HfO2/Al2O3高K堆层栅介质AlGaN/GaN MOS-HEMT器件 270
13.4.1 原子层淀积HfO2/Al2O3高K堆层栅介质的设计 270
13.4.2 HfO2/Al2O3堆层栅介质MOS-HEMT的直流特性 271
13.4.3 HfO2/Al2O3堆层栅介质的钝化特性 272
13.4.4 HfO2/Al2O3堆层栅介质MOS-HEMT的频率特性 272
13.5 AlGaN/AlN/GaN凹栅MOS-HEMT器件 273
13.5.1 凹栅刻蚀深度对原子层淀积Al2O3栅介质MOS-HEMT器件性能的影响 274
13.5.2 等离子体处理对凹栅MOS-HEMT器件性能的影响 278
13.5.3 高性能AlGaN/AlN/GaN凹栅MOS-HEMT器件 278
13.6 薄势垒层增强型MIS-HEMT 283
参考文献 284
第14章 氮化物半导体材料和电子器件的发展 288
14.1 N极性面氮化物材料与器件 288
14.2 超宽禁带氮化物半导体材料和电子器件 289
14.3 氮化物半导体电力电子器件 292
14.4 氮化物太赫兹电子器件 293
14.5 硅基氮化物材料和器件 294
参考文献 296
附录 缩略语表 300
《半导体科学与技术丛书》已出版书目 304
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