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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InN6

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 GaN HEMT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GaN97

5.4.2 HVPE GaN模板上MOCVD外延GaN98

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 GaN HEMT器件的原理和优化171

9.1 GaN HEMT器件的工作原理171

9.2 GaN HEMT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fmax175

9.2.4 功率性能参数177

9.3 GaN HEMT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 GaN HEMT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 GaN HEMT器件的工艺流程206

10.8 GaN HEMT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 GaN HEMT器件的电热退化与可靠性212

11.1 GaN HEMT器件的电流崩塌212

11.2 GaN HEMT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 GaN HEMT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 GaN HEMT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 GaN HEMT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/GaN HEMT器件特性的影响227

11.6 GaN HEMT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 GaN MOS-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-HEMT283

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