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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 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GaN 97

5.4.2 HVPE GaN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 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fmax 175

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-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