本書重點討論了與氮化鎵（GaN）器件相關的內容，共分15章，每一章都圍繞不同的主題進行論述，涵蓋GaN材料、與CMOS工藝兼容的GaN工藝、不同的GaN器件設計、GaN器件的建模、GaN器件的可靠性表征以及GaN器件的應用。本書的特點是每一章都由全球不同的從事GaN研究機構的專家撰寫，引用了大量的代表新成果的文獻，適合于從事GaN技術研究的科研人員、企業(yè)研發(fā)人員，以及工程師閱讀，也可作為微電子及相關專業(yè)的高年級本科生、研究生和教師的參考用書。
全球走向碳中和，能帶來節(jié)能效果的第三代半導體氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)無疑是未來的希望。第三代半導體能源轉換效率能達到95%以上，在陽光能源、數(shù)據(jù)中心、5G、汽車電子等市場的應用值得期待，引起了學術界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，我國也將第三代半導體寫入了十四五規(guī)劃當中，本書的特點是每一章都由全球不同的從事GaN研究機構的專家撰寫，引用了大量的代表*新成果的文獻，因而其翻譯和出版對于國內GaN方面的研究會起到積極的作用。本書適合于從事GaN技術研究的科研人員、企業(yè)研發(fā)人員，以及工程師閱讀，也可作為微電子及相關專業(yè)的高年級本科生、研究生和教師的參考用書。
近年來，氮化鎵（GaN）已經(jīng)成為制造功率半導體器件的優(yōu)選材料。高臨界電場（33MV/cm）的特性使得利用GaN可以制造出擊穿電壓高于1kV的晶體管。此外，二維電子氣（2DEG）的高遷移率使得GaN的導通電阻可以達到非常低的值（對于30A的器件，小于50m）。后，低導通電阻與柵極電荷的乘積（RonQg）可以顯著降低開關損耗。已經(jīng)證明基于GaN的變換器效率可以超過99%，并且市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些GaN產(chǎn)品。本書對GaN基器件的特性和問題，包括面向應用的結果給出了一個詳盡的概述。為此目的，我們采用了自下而上的方法，包括與材料方面相關的內容介紹，對主要器件特性和問題的全面描述，以及對系統(tǒng)級方面的討論。在第1章中，從對GaN和相關材料的基本特性的一般性介紹開始，給出了初步的設計考慮。介紹了不同的器件結構，包括標準FET和天然超結器件，并與標準硅器件進行了比較。第2章討論了與材料和襯底相關的問題。概述了可用于GaN生長的各種襯底，并詳細介紹了金屬有機化學氣相沉積的原理。接著描述了半絕緣AlGaN層的制備、摻雜的相關問題，以及用于橫向和垂直器件的異質結構的制備。第3章介紹了一種Si上GaN的CMOS兼容工藝。概述了Si上GaN外延，并詳細介紹了Si上GaN無Au工藝。詳細介紹了AlGaN勢壘層凹槽、歐姆合金優(yōu)化和鎵污染問題。討論中采用了大量的實驗數(shù)據(jù)。在第4章中，UKMishra和MGuidry討論了材料以及各種器件的設計，這些對于在功率應用中的橫向GaN器件來說非常重要。在介紹了AlGaN/GaN HEMT的發(fā)展歷程之后，講述了N極性器件和Ga極性器件的工作原理。此外，還討論了GaN橫向器件在功率變換器中應用的主要問題以及現(xiàn)有的技術解決方案。第5章專門介紹了垂直功率器件，從材料到應用。在介紹了其潛在的應用后，從性能和結構上對垂直器件和橫向器件進行了比較。本章以電流孔徑垂直結構晶體管（CAVET）為代表，討論了各種概念。描述了設計考慮以及和結構相關的各種問題，以提供一個關于該問題的綜合概述。第6章概述了GaN基納米線晶體管的工作原理。通過將文獻中的實驗數(shù)據(jù)與結果進行比較，給出一個對GaN基納米線晶體管完整的概述。本章部分回顧了自下而上的納米線；而第二部分則介紹了自上而下的納米線在電力電子器件中的應用；后，討論了納米線在RF領域的應用。第7章討論了用于表征GaN中深能級的電學和光學的方法。在簡要介紹了DLTS和DLOS的基本原理之后，介紹了DLTS和DLOS的相關理論。然后，對光譜技術在GaN HEMT分析中的應用進行了綜述。第8章介紹了一種功率GaN HEMT建模方法，旨在通過器件、封裝和應用的并行仿真實現(xiàn)全系統(tǒng)優(yōu)化。對在實際開關應用中常開的絕緣柵GaN HEMT和常關的 p-GaN器件的仿真結果與實驗結果進行了比較。第9章介紹了限制GaN基晶體管性能的缺陷特性。本章部分根據(jù)80多篇討論缺陷的論文，總結了GaN中常見缺陷的特性；本章的第二部分介紹了近期實驗中常見的本征缺陷（空位、表面態(tài)等）和雜質（如Fe和C）對GaN HEMT動態(tài)性能影響的實驗結果。第10章討論了Si上共源共柵Ga NHEMT。在討論了共源共柵GaN HEMT的工作原理和結構之后，詳細介紹了共源共柵GaN HEMT的關鍵應用和性能優(yōu)勢。同時對商用的產(chǎn)品及其相關優(yōu)點進行了綜述。后，對共源共柵GaN HEMT的性能和可靠性進行了評述。在第11章介紹了柵極注入晶體管的主要結構和問題，以及提高這些器件性能的各種技術。總結了包括電流崩塌在內的可靠性研究現(xiàn)狀，并介紹了GIT在實際高效率開關電源電路中的應用結果。此外，本章還介紹了進一步提高性能的一些新興技術。第12章介紹了常關工作的進一步策略。介紹了氟離子注入增強型晶體管，全面討論了氟注入的物理機制，包括原子仿真和實驗研究。介紹了氟注入技術的進一步發(fā)展及其與其他先進技術如凹槽、AlN鈍化等的結合。后，總結了氟注入技術的魯棒性。在第13章中，JWuerfl介紹了主要的限制GaN基功率晶體管性能的漂移效應。在介紹漂移效應的物理機制之后，描述了GaN功率開關晶體管中重要的漂移現(xiàn)象及其對器件性能的影響。此外，本章還討論了已被驗證的減少器件漂移效應的技術概念。第14章描述了650V GaN功率器件的可靠性。廣泛研究了柵極歐姆接觸的可靠性、柵極介質可靠性和緩沖層堆疊可靠性。強調了基于大面積的功率晶體管（100 mm柵極寬度）統(tǒng)計數(shù)據(jù)而不是基于小的測試結構進行可靠性研究的必要性。同時討論了加速模型和統(tǒng)計分布模型（Weibull）。后，第15章回顧了與GaN基晶體管開關相關的系統(tǒng)級問題。描述了與共源共柵GaN HEMT相關的具體問題。對基于降壓變換器的共源共柵GaN在硬開關和軟開關兩種模式下的性能進行了評估，說明了共源共柵GaN器件在高頻下進行軟開關的必要性。此外，本章還介紹了GaN的一系列新興應用。讀者將會對GaN電子學令人難以置信的性能和潛力留下深刻印象，正如UKMishra和MGuidry在第4章中總結的那樣，GaN基電子產(chǎn)品的市場規(guī)模有望在2022年超過10億美元，并在那之后持續(xù)增長。與此同時，光子市場的規(guī)模目前已超過100億美元，且呈急劇增長態(tài)勢。從學術和研究的角度來看，目前在氮化物中探索出的有限的科學知識可以提供這樣一個值得關注的市場
原書前言
第1章GaN的特性及優(yōu)點1
1.1總體背景1
1.2GaN材料2
1.3極化效應5
1.4GaN基FET8
1.5天然超級結(NSJ)結構10
1.6導通電阻和擊穿電壓13
1.7低壓器件14
1.8高壓器件18
1.9GaN垂直功率器件的未來研究21
參考文獻22
第2章襯底和材料24
2.1襯底概述25
2.2金屬有機化學氣相沉積26
2.2.1半絕緣(S.I.)的(Al,Ga)N層的制造28
2.2.2n型和p型摻雜29
2.2.3AlGaN/GaN異質結構30
2.3陷阱和色散31
2.4橫向功率開關器件外延結構的制備31
2.4.1硅襯底上電流阻斷層的沉積32
2.4.2碳化硅襯底上電流阻斷層的沉積33
2.4.3藍寶石襯底上電流阻斷層的沉積33
2.4.4柵控層生長35
2.5垂直器件35
2.6展望39
2.6.1InAlN和AlInGaN墊座層39
2.6.2基于非c面GaN的器件40
參考文獻41
第3章Si上GaN CMOS兼容工藝47
3.1Si上GaN外延47
3.2Si上GaN無Au工藝49
3.3無Au歐姆接觸54
3.3.1AlGaN勢壘層凹槽55
3.3.2歐姆合金優(yōu)化55
3.3.3Ti/Al比56
3.3.4歐姆金屬堆疊底部的Si層57
3.4Ga污染問題58
3.5結論61
參考文獻61
第4章橫向GaN器件的功率應用（從kHz到GHz）62
4.1簡介62
4.2AlGaN/GaN HEMT的歷史62
4.3色散的處理64
4.4用于毫米波的GaN66
4.5N極性GaN發(fā)展的歷史回顧69
4.6電力電子中GaN的應用77
4.7結論83
參考文獻83
第5章垂直GaN技術材料、器件和應用91
5.1引言91
5.2器件拓撲93
5.2.1垂直器件與橫向器件的比較93
5.3CAVET的演變95
5.4CAVET設計97
5.4.1器件成功運行所需的關鍵部分的討論97
5.5CAVET的關鍵組成部分99
5.5.1電流阻斷層103
5.5.2性能和成本105
5.6體GaN襯底的作用106
5.7RF應用的CAVET107
5.8結論107
參考文獻108
第6章GaN基納米線晶體管110
6.1簡介110
6.1.1自下而上的納米線器件：GaN納米線場效應晶體管111
6.1.2自上而下的納米線器件113
6.2三柵GaN功率MISFET114
6.2.1三柵GaN功率晶體管的其他考慮116
6.3用于RF應用的納米線：增加gm的線性度120
6.4納米結構的GaN肖特基勢壘二極管122
6.4.1GaN SBD的納米結構陽極123
6.5結論126
參考文獻127
第7章深能級表征：電學和光學方法130
7.1簡介130
7.2DLTS和DLOS基礎131
7.2.1C-DLTS132
7.2.2C-DLOS133
7.2.3C-DLTS和C-DLOS對HEMT的適用性134
7.2.4I-DLTS和I-DLOS135
7.3DLTS和DLOS在GaN HEMT中的應用137
7.3.1利用填充脈沖對陷阱進行空間定位137
7.3.2利用測量偏差對陷阱進行空間定位140
7.3.3測量空間局限性的陷阱的其他方法142
7.4結論143
參考文獻144
第8章GaN HEMT的建模：從器件級仿真到虛擬原型146
8.1簡介146
8.2器件級仿真148
8.2.1脈沖模式行為149
8.3非優(yōu)化的緩沖技術150
8.4優(yōu)化的緩沖層工藝154
8.4.1AC電容155
8.4.2關斷態(tài)擊穿157
8.5Spice模型開發(fā)和校準159
8.6應用板的特性和仿真161
8.6.1正常關斷pGaN晶體管163
8.6.2正常開啟HEMT：共源共柵設計165
8.7結論170
參考文獻171
第9章GaN基HEMT中限制性能的陷阱：從固有缺陷到常見雜質173
9.1表面相關的俘獲177
9.2Fe摻雜的影響179
9.2.1深能級E2的特性及Fe摻雜的影響180
9.2.2E2陷阱的起源182
9.2.3電應力對俘獲機制的影響183
9.3C摻雜的影響185
9.4金屬絕緣體半導體高電子遷移率晶體管(MIS-HEMT)的俘獲機制193
9.4.1正柵極偏壓引起的俘獲193
9.4.2快俘獲和慢俘獲機理分析195
9.4.3提高俘獲效應的材料和沉積技術196
參考文獻199
第10章硅上共源共柵GaNHEMT：結構、性能、制造和可靠性209
10.1共源共柵GaN HEMT的動機和結構209
10.2共源共柵GaN HEMT的功能和優(yōu)點210
10.3共源共柵GaN HEMT的關鍵應用和性能優(yōu)勢211
10.3.1無二極管半橋結構211
10.3.2柵極驅動的考慮212
10.4市場上的產(chǎn)品213
10.5應用和主要性能優(yōu)勢214
10.5.1圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）電路214
10.5.2PV逆變器215
10.5.3帶GaN AC-DC PFC和全橋諧振開關LLC DC-DC變換器的一體式電源216
10.6共源共柵GaN HEMT的認證和可靠性217
10.6.1JEDEC認證218
10.6.2擴展的認證/可靠性測試218
10.6.3工作和本征壽命測試219
10.7卓越制造221
10.8單片上的E模式GaN222
10.9未來展望223
10.9.1下一代產(chǎn)品223
10.9.2知識產(chǎn)權考慮223
10.9.3小結223
參考文獻224
第11章柵注入晶體管：E模式工作和電導率調制225
11.1GIT的工作原理225
11.2GIT的DC和開關性能228
11.3關于GIT可靠性的研究231
11.4GIT在實際開關系統(tǒng)中的應用234
11.5面向未來電力電子的先進GIT技術237
11.6結論240
參考文獻240
第12章氟注入E模式晶體管242
12.1簡介：III-氮化物異質結構中的氟：Vth魯棒性控制242
12.2氟注入的物理機制243
12.2.1F等離子體離子注入的原子模型243
12.2.2AlGaN/GaN異質結構中F離子的穩(wěn)定性245
12.2.3F離子周圍的電子結合能247
12.3F離子注入E模式GaNMISHEMT249
12.3.1GaN MISHEMT249
12.3.2帶有部分凹槽的F離子注入勢壘層的GaNMISHEMT252
12.3.3GaN智能功率芯片255
12.4結論259
參考文獻260
第13章GaN高壓功率晶體管的漂移效應262
13.1簡介262
13.2漂移效應及其物理機制262
13.2.1概述262
13
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