氮化物宽禁带半导体材料与电子器件
作 者： 郝跃、张金风、张进成
出版时间： 2013
内容简介
《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》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，AlGaN/GaN和InAlN/GaN异质结的生长和优化、材料缺陷分析，GaNHEMT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，GaNMOS-HEMT器件，最后给出了该领域未来技术发展的几个重要方向。《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》可供微电子、半导体器件和材料领域的研究生与科研人员阅读参考。
目录
《半导体科学与技术丛书》出版说明
序言
第1章 绪论
参考文献
第2章 Ⅲ族氮化物半导体材料的性质
2.1 Ⅲ族氮化物的晶体结构和能带结构
2.1.1 GaN、AlN和InN
2.1.2 氮化物合金材料的晶格常数和禁带宽度
2.1.3 异质结界面的能带带阶
2.2 氮化物的电子速场关系和低场迁移率
2.2.1 GaN的电子速场关系
2.2.2 GaN和AlGaN的电子低场迁移率和速场关系解析模型
2.3 氮化物材料的极化效应
2.3.1 极性
2.3.2 自发极化和压电极化效应
2.3.3 氮化物合金材料的压电和自发极化强度
2.3.4 削弱极化效应的机制
2.3.5 极性材料和非极性/半极性材料
2.4 氮化物电子材料的掺杂和其他性质
2.5 氮化物材料性质测试分析
2.5.1 高分辨X射线衍射(HRXRD)
2.5.2 原子力显微镜(AFM)
2.5.3 扫描电子显微镜(SEM)
2.5.4 透射电子显微镜(TEM)
2.5.5 光致发光谱(PL谱)
2.5.6 电容电压测试(C-V)
2.5.7 范德堡法霍尔测试
2.5.8 霍尔条测试SdH振荡分析二维电子气输运性质
参考文献
第3章 氮化物材料的异质外延生长和缺陷性质
3.1 氮化物材料的外延生长技术
3.2 外延生长基本模式和外延衬底的选择
3.2.1 外延生长的基本模式
3.2.2 外延衬底的选择
3.3 MOCVD生长氮化物材料的两步生长法
3.3.1 两步生长法的步骤
3.3.2 蓝宝石上两步法生长GaN的生长模式演化
3.4 氮化物材料外延的成核层优化
3.4.1 低温GaN成核层
3.4.2 高温AlN成核层
3.4.3 间歇供氨生长的高温AlN成核层
3.5 氮化物材料外延层生长条件对材料质量的影响
3.6 氮化物单晶薄膜材料的缺陷微结构
3.6.1 衬底与成核层界面的微结构——失配位错
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
3.6.3 高温GaN层的微结构——小角晶界、穿透位错和点缺陷
3.6.4 裂纹和沉淀物
参考文献
第4章 GaN HEMT材料的电学性质与机理
4.1 GaN异质结中的二维电子气
4.1.1 GaN异质结二维电子气的形成机理
4.1.2 GaN异质结二维电子气的面电子密度
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
4.2.1 一维薛定谔泊松方程量子效应自洽解物理模型
4.2.2 一维薛定谔泊松方程自洽解模型的数值算法
4.2.3 一维量子效应自洽解在GaN异质结中的应用
4.3 GaN异质结二维电子气低场迁移率的解析建模分析
4.3.1 GaN异质结二维电子气低场迁移率的解析建模
4.3.2 AlGaN/GaN异质结Al组分对迁移率的影响
4.3.3 晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料二维电子气输运特性
参考文献
第5章 AlGaN/GaN异质结材料的生长与优化方法
5.1 AlGaN/GaN异质结材料结构
5.2 低缺陷密度氮化物材料生长方法
5.3 斜切衬底生长低缺陷GaN缓冲层
5.4 GaN的同质外延
5.4.1 斜切衬底上HVPE生长GaN
5.4.2 HVPEGaN模板上MOCVD外延GaN
5.5 高阻GaN外延方法
5.5.1 缓冲层漏电的表征方法
5.5.2 位错对衬底O扩散的影响
5.5.3 掩埋电荷层抑制方案
5.5.4 GaN缓冲层背景n型掺杂的抑制
5.6 AlGaN势垒层的优化
5.6.1 AlGaN势垒层Al组分和厚度对材料2DEG性质的影响
5.6.2 AlN界面插入层的作用
5.6.3 帽层对异质结材料性质的影响
参考文献
第6章 AlGaN/GaN多异质结材料与电子器件
6.1 Al(Ga,In)N/InGaN/GaN材料
6.2 GaN沟道下引入AlGaN背势垒
6.3 InGaN背势垒结构
6.4 双/多沟道AlGaN/GaN异质结
参考文献
第7章 脉冲MOCVD方法生长InAlN/GaN异质结材料
7.1 近晶格匹配InAlN/GaN材料的优势及其HEMT特性
7.2 近晶格匹配InAlN/GaN材料的生长、缺陷和电学性质
7.2.1 近晶格匹配InAlN/GaN材料的生长和缺陷
7.2.2 近晶格匹配InAlN/GaN材料的电学性质
7.3 表面反应增强的脉冲MOCVD(PMOCVD)方法
7.4 PMOCVD方法生长InAlN/GaN异质结
7.4.1 外延生长压强对InAlN/GaN的性能影响
7.4.2 In源脉冲时间对InAlN/GaN的性能影响
7.4.3 外延生长温度对InAlN/GaN的性能影响
7.5 PMOCVD方法生长InAlN/GaN双沟道材料
参考文献
第8章 Ⅲ族氮化物电子材料的缺陷和物性分析
8.1 腐蚀法分析GaN位错类型和密度
8.1.1 腐蚀坑形状与位错类型的对应关系
8.1.2 湿法腐蚀准确估计不同类型位错的密度
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
8.2 不同极性面材料的腐蚀形貌和成因
8.2.1 N面材料的腐蚀特性
8.2.2 非极性a面GaN的选择性腐蚀
8.3 斜切衬底降低位错密度的机理分析
8.3.1 斜切衬底上GaN的位错类型和位错扎堆现象
8.3.2 斜切衬底上GaN中位错的集中湮灭
8.4 极性对杂质结合和黄带的影响
8.4.1 与极性有关的杂质结合模型
8.4.2 杂质结合对黄带的影响
8.5 GaN中黄带的深受主来源
8.5.1 GaN中黄带与C杂质的相关性分析
8.5.2 对Ga空位引起黄带发光的否定性讨论
参考文献
第9章 GaN HEMT器件的原理和优化
9.1 GaN HEMT器件的工作原理
9.2 GaN HEMT器件的性能参数
9.2.1 直流性能参数
9.2.2 交流小信号跨导
9.2.3 截止频率fT和最高振荡频率fmax
9.2.4 功率性能参数
9.3 GaN HEMT器件性能的优化措施
9.4 提高器件击穿电压的场板结构仿真和实现
9.4.1 场板HEMT器件的仿真优化
9.4.2 场板HEMT器件的实现
9.4.3 浮空场板结构的提出、优化和实现
参考文献
第10章 GaN HEMT器件的制备工艺和性能
10.1 表面清洗、光刻和金属剥离
10.1.1 表面清洗
10.1.2 光刻与金属剥离
10.2 器件隔离工艺
10.2.1 器件隔离方法
10.2.2 常见GaN干法刻蚀方法
10.2.3 等离子体刻蚀的机理和评估
10.3 肖特基金属半导体接触
10.3.1 肖特基结特性参数的提取方法
10.3.2 GaN和AlGaN/GaN异质结上肖特基结的特性评估
10.3.3 不同溶液预处理对肖特基结特性的影响分析
10.4 欧姆接触
10.4.1 GaN与AlGaN/GaN的欧姆接触的设计原则
10.4.2 欧姆接触性能的测试方法——传输线模型
10.4.3 欧姆接触性能的优化
10.5 半导体器件的表面钝化
10.6 器件互连线电镀和空气桥
10.6.1 电镀
10.6.2 空气桥
10.7 GaN HEMT器件的工艺流程
10.8 GaN HEMT器件的性能与分析
10.8.1 器件的直流性能
10.8.2 器件的小信号特性
10.8.3 器件的微波功率性能
参考文献
第11章 GaN HEMT器件的电热退化与可靠性
11.1 GaN HEMT器件的电流崩塌
11.2 GaN HEMT器件电退化的3种机理模型
11.2.1 热电子注入
11.2.2 栅极电子注入
11.2.3 逆压电效应
11.3 GaN HEMT的电应力退化(一)
11.3.1 沟道热电子注入应力
11.3.2 栅极电子注入应力
11.3.3 VDS为零的栅压阶梯式应力
11.4 GaN HEMT的电应力退化(二)
11.4.1 源漏高压开态应力
11.4.2 栅漏高压应力——关态和开态
11.4.3 脉冲应力
11.4.4 改善HEMT器件电应力退化效应的措施
11.5 GaN HEMT的变温特性
11.5.1 温度对肖特基接触性能的影响
11.5.2 温度对欧姆接触性能和材料方块电阻的影响
11.5.3 温度对AlGaN/GaN HEMT器件特性的影响
11.6 GaN HEMT的高温存储特性
参考文献
第12章 GaN增强型HEMT器件和集成电路
12.1 GaN增强型HEMT器件
12.2 氟等离子体注入增强型器件的工艺与特性
12.2.1 增强型器件的结构和工艺
12.2.2 增强型器件的直流、击穿和小信号性能
12.2.3 氟等离子体注入器件的栅漏二极管分析
12.3 氟等离子体注入E-HEMT的可靠性评估
12.3.1 氟等离子体注入E-HEMT在电应力下的特性退化分析
12.3.2 氟等离子体注入E-HEMT在高温下的特性退化分析
12.4 氟等离子体注入E-HEMT器件的结构优化
12.4.1 薄势垒层常规HEMT器件
12.4.2 薄势垒层氟等离子体注入增强型器件
12.5 增强/耗尽型GaN数字集成电路
12.5.1 增强/耗尽型数字集成电路单元设计
12.5.2 数字集成电路单元的版图设计和工艺实现
12.5.3 数字集成电路单元的测试和抗辐照特性分析
参考文献
第13章 GaN MOS-HEMT器件
13.1 GaNMIS-HEMT器件的研究进展
13.2 高K栅介质材料的选择和原子层淀积
13.2.1 高K栅介质材料的选择
13.2.2 原子层淀积工艺
13.3 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的基本特性和界面态密度
13.3.1 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的载流子浓度分布计算
13.3.2 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的C-V滞后特性
13.3.3 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的变频C-V特性
13.4 HfO2/Al2O3高K堆层栅介质AlGaN/GaN MOS-HEMT器件
13.4.1 原子层淀积HfO2/Al2O3高K堆层栅介质的设计
13.4.2 HfO2/Al2O3堆层栅介质MOS-HEMT的直流特性
13.4.3 HfO2/Al2O3堆层栅介质的钝化特性
13.4.4 HfO2/Al2O3堆层栅介质MOS-HEMT的频率特性
13.5 AlGaN/AlN/GaN凹栅MOS-HEMT器件
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
13.5.2 等离子体处理对凹栅MOS-HEMT器件性能的影响
13.5.3 高性能AlGaN/AlN/GaN凹栅MOS-HEMT器件
13.6 薄势垒层增强型MIS-HEMT
参考文献
第14章 氮化物半导体材料和电子器件的发展
14.1 N极性面氮化物材料与器件
14.2 超宽禁带氮化物半导体材料和电子器件
14.3 氮化物半导体电力电子器件
14.4 氮化物太赫兹电子器件
14.5 硅基氮化物材料和器件
参考文献
附录 缩略语表
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