原書前言
如今，氮化鎵（GaN）和其他相關(guān)材料（三元AlGaN、InGaN以及四元InAlGaN）廣泛應(yīng)用于光電子器件制造。此外，這些氮化物中有一些可以用作半導(dǎo)體材料，應(yīng)用于高效節(jié)能的電子器件。因此，對(duì)于現(xiàn)代電子學(xué)和光電子學(xué)的變革和發(fā)展，人們常半開玩笑地將其稱作GaN化。
多位業(yè)界一流專家對(duì)本書的編寫貢獻(xiàn)了寶貴意見。我們希望通過本書對(duì)GaN基技術(shù)在功率電子和光電子器件兩大領(lǐng)域的最新發(fā)展情況進(jìn)行整體介紹。
本書第1章整體介紹了GaN及相關(guān)材料的性能及應(yīng)用。首先介紹了歷史背景，討論氮化物研究史上的里程碑事件。其次著重介紹了InGaN量子阱和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，二者對(duì)于發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）和高電子遷移率晶體管（HEMT）至關(guān)重要。最后介紹了氮化物材料在光電子器件、功率電子和高頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用，本書的其他章節(jié)還會(huì)對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵問題進(jìn)行詳細(xì)闡釋。
典型的氮基器件由多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)需要在合適的基體上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。因此，第2章的開頭部分就討論了一些最新研究的GaN晶體生長(zhǎng)工藝。隨后，本章介紹了生長(zhǎng)GaN最常用的外延法，即金屬有機(jī)物氣相外延（MOVPE），本章還介紹了MOVPE過程中外延溫度、異質(zhì)襯底沉積造成的影響、降低高穿透位錯(cuò)密度的方法，以及提高導(dǎo)電性，制造p型半導(dǎo)體摻雜技術(shù)的難點(diǎn)。本章有一部分專門介紹InGaN量子阱，量子阱在發(fā)光器件領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，但在分解的組分均勻性和熱穩(wěn)定性方面，仍然存在嚴(yán)重的問題。
關(guān)于高頻電子方面，當(dāng)前對(duì)于毫米波（mmW）帶寬30~300GHz的研究熱度持續(xù)攀升，因?yàn)槠涠滩ㄩL(zhǎng)和寬頻帶的特點(diǎn)，能使更小的器件發(fā)揮更好的性能。無線通信系統(tǒng)正擴(kuò)展至更高頻段。但是，為了成功應(yīng)用毫米波頻譜，還需解決若干問題。本書的第3章專門介紹了GaN基器件在毫米波方面的應(yīng)用，預(yù)期的應(yīng)用范圍包括高功率放大器、寬帶放大器和5G無線網(wǎng)絡(luò)。對(duì)不同GaN基材料在毫米波頻譜的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，能體現(xiàn)其高頻應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)和局限性。本章還對(duì)器件設(shè)計(jì)和毫米波GaN器件制造進(jìn)行了分析。本章的最后對(duì)單片微波集成電路（MMIC）功率放大器進(jìn)行了整體介紹。
GaN還被視為功率電子領(lǐng)域頗具前景的半導(dǎo)體材料。由于二維電子氣（2DEG）特性，AlGaN/GaN HEMT常用作常開型器件。然而，很多功率電子系統(tǒng)需要常關(guān)型晶體管。因此，第4章回顧了當(dāng)前常關(guān)型GaN HEMT技術(shù)。首先，簡(jiǎn)單介紹制備HEMT的共源�补矕偶夹g(shù)，重點(diǎn)關(guān)注該方法的優(yōu)勢(shì)和局限性。隨后闡釋凹柵HEMT技術(shù)和氟技術(shù)HEMT，重點(diǎn)關(guān)注凹柵混合金屬絕緣半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管（MIS HEMT）和p型GaN柵HEMT。以上都是當(dāng)前最具前景和最穩(wěn)定的常關(guān)型GaN HEMT制造技術(shù)。本章還將討論上述技術(shù)（如異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、柵極介電層、金屬柵極）最關(guān)鍵的問題。
對(duì)于功率電子領(lǐng)域，為了降低導(dǎo)通電阻并增大電流能力，相較于水平結(jié)構(gòu)，垂直型器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更受青睞。因此，第5章對(duì)基于體GaN襯底的垂直型器件進(jìn)行了概述。GaN技術(shù)領(lǐng)域，過去10年所開發(fā)的二端器件和三端器件，垂直型結(jié)構(gòu)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，處于主導(dǎo)地位。本章還特別討論了兩種不同的垂直型器件，分別是電流孔徑垂直電子晶體管（CAVET）和氧化柵層間場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OGFET），這是一種可再生溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。此外，本章還介紹了碰撞電離系數(shù)的最新研究。
如果沒有對(duì)穩(wěn)定性和可靠性問題的深入研究，基于GaN的射頻、微波以及毫米波功率放大器應(yīng)用就不可能得到發(fā)展。GaN HEMT的可靠性問題極為重要，第6章對(duì)GaN HEMT在射頻、微波以及功率開關(guān)晶體管中的最重要可靠性問題進(jìn)行了討論。討論射頻AlGaN/GaN HEMT和InAlN/GaN HEMT的失效模式以及機(jī)制，重點(diǎn)關(guān)注與柵極邊緣、熱電子以及熱聲子相關(guān)的失效模式和熱效應(yīng)。對(duì)于功率開關(guān)器件，本章介紹了GaN緩沖層的碳摻雜對(duì)緩沖層動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻和隨時(shí)間變化的介質(zhì)擊穿的影響。最后，本章討論了常關(guān)p型GaN HEMT的柵極退化與GaN MIS HEMT閾值電壓不穩(wěn)定性問題。
GaN基半導(dǎo)體能發(fā)射的波長(zhǎng)范圍很廣，發(fā)光范圍覆蓋紫外至黃綠光，因此是制造光電子器件的絕佳材料。第7章探討了GaN基LED。在過去15年中，LED取得了巨大進(jìn)步，達(dá)到了重構(gòu)和重新定義人工照明的地步。然而，LED領(lǐng)域仍存在問題：電流較大時(shí)，LED發(fā)光效率就會(huì)降低。此外，這些器件在光質(zhì)［比如顯色指數(shù)（CRI）和相關(guān)色溫（CCT）］方面的全部潛力，仍然可以通過現(xiàn)有的或替代的方案加以改進(jìn)，本章對(duì)此進(jìn)行了討論。AlGaN深紫外發(fā)光二極管（DUV LED）具有廣泛的潛在應(yīng)用，包括消毒、水凈化等。然而，與InGaN藍(lán)光LED相比，AlGaN DUV LED的效率仍然很低。本章介紹了提高AlGaN DUV LED內(nèi)量子效率（IQE）、電注入效率（EIE）和光提取效率（LEE）的方法。
第8章介紹了通過等離子體輔助分子束外延（PAMBE）生長(zhǎng)Ⅲ族氮化物激光二極管（LD）的最新進(jìn)展。本章介紹了PAMBE的生長(zhǎng)基本原理，探究寬InGaN量子阱中的載流子復(fù)合，并介紹通過激發(fā)態(tài)的高效躍遷路徑模型來解釋實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。此外，本章還介紹了通過PAMBE生長(zhǎng)的激光器的可靠性。最后，本章討論了隧道結(jié)（TJ）及其在器件方面的應(yīng)用。
第9章介紹了氮化物半導(dǎo)體激光器的歷史、發(fā)展過程遇到的科技挑戰(zhàn)，以