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本書概述了氮化物半導體及其在功率電子和光電子器件中的應用，解釋了這些材料的物理特性及其生長方法，詳細討論了它們在高電子遷移率晶體管、垂直型功率器件、發(fā)光二極管、激光二極管和垂直腔面發(fā)射激光器中的應用。本書進一步研究了這些材料的可靠性問題，并提出了將它們與2D材料結(jié)合用于新型高頻和高功率器件的前景。
本書具有較好的指導性和借鑒性，可作為功率電子和光電子器件領域研究人員和工程人員的參考用書。

原書前言
如今，氮化鎵（GaN）和其他相關材料（三元AlGaN、InGaN以及四元InAlGaN）廣泛應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體材料，應用于高效節(jié)能的電子器件。因此，對于現(xiàn)代電子學和光電子學的變革和發(fā)展，人們常半開玩笑地將其稱作GaN化。
多位業(yè)界一流專家對本書的編寫貢獻了寶貴意見。我們希望通過本書對GaN基技術(shù)在功率電子和光電子器件兩大領域的最新發(fā)展情況進行整體介紹。
本書第1章整體介紹了GaN及相關材料的性能及應用。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域的應用，本書的其他章節(jié)還會對相應的關鍵問題進行詳細闡釋。
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行外延生長。因此，第2章的開頭部分就討論了一些最新研究的GaN晶體生長工藝。隨后，本章介紹了生長GaN最常用的外延法，即金屬有機物氣相外延（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、降低高穿透位錯密度的方法，以及提高導電性，制造p型半導體摻雜技術(shù)的難點。本章有一部分專門介紹InGaN量子阱，量子阱在發(fā)光器件領域有重要的應用價值，但在分解的組分均勻性和熱穩(wěn)定性方面，仍然存在嚴重的問題。
關于高頻電子方面，當前對于毫米波（mmW）帶寬30~300GHz的研究熱度持續(xù)攀升，因為其短波長和寬頻帶的特點，能使更小的器件發(fā)揮更好的性能。無線通信系統(tǒng)正擴展至更高頻段。但是，為了成功應用毫米波頻譜，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用，預期的應用范圍包括高功率放大器、寬帶放大器和5G無線網(wǎng)絡。對不同GaN基材料在毫米波頻譜的應用設計進行介紹，能體現(xiàn)其高頻應用方面的優(yōu)勢和局限性。本章還對器件設計和毫米波GaN器件制造進行了分析。本章的最后對單片微波集成電路（MMIC）功率放大器進行了整體介紹。
GaN還被視為功率電子領域頗具前景的半導體材料。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)需要常關型晶體管。因此，第4章回顧了當前常關型GaN HEMT技術(shù)。首先，簡單介紹制備HEMT的共源共柵技術(shù)，重點關注該方法的優(yōu)勢和局限性。隨后闡釋凹柵HEMT技術(shù)和氟技術(shù)HEMT，重點關注凹柵混合金屬絕緣半導體高電子遷移率晶體管（MIS HEMT）和p型GaN柵HEMT。以上都是當前最具前景和最穩(wěn)定的常關型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)設計、柵極介電層、金屬柵極）最關鍵的問題。
對于功率電子領域，為了降低導通電阻并增大電流能力，相較于水平結(jié)構(gòu)，垂直型器件拓撲結(jié)構(gòu)更受青睞。因此，第5章對基于體GaN襯底的垂直型器件進行了概述。GaN技術(shù)領域，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)獨領風騷，處于主導地位。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）和氧化柵層間場效應晶體管（OGFET），這是一種可再生溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管（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GaN HEMT在射頻、微波以及功率開關晶體管中的最重要可靠性問題進行了討論。討論射頻AlGaN/GaN HEMT和InAlN/GaN HEMT的失效模式以及機制，重點關注與柵極邊緣、熱電子以及熱聲子相關的失效模式和熱效應。對于功率開關器件，本章介紹了GaN緩沖層的碳摻雜對緩沖層動態(tài)導通電阻和隨時間變化的介質(zhì)擊穿的影響。最后，本章討論了常關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基半導體能發(fā)射的波長范圍很廣，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取得了巨大進步，達到了重構(gòu)和重新定義人工照明的地步。然而，LED領域仍存在問題：電流較大時，LED發(fā)光效率就會降低。此外，這些器件在光質(zhì)［比如顯色指數(shù)（CRI）和相關色溫（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，本章對此進行了討論。AlGaN深紫外發(fā)光二極管（DUV LED）具有廣泛的潛在應用，包括消毒、水凈化等。然而，與InGaN藍光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Ⅲ族氮化物激光二極管（LD）的最新進展。本章介紹了PAMBE的生長基本原理，探究寬InGaN量子阱中的載流子復合，并介紹通過激發(fā)態(tài)的高效躍遷路徑模型來解釋實驗觀察結(jié)果。此外，本章還介紹了通過PAMBE生長的激光器的可靠性。最后，本章討論了隧道結(jié)（TJ）及其在器件方面的應用。
第9章介紹了氮化物半導體激光器的歷史、發(fā)展過程遇到的科技挑戰(zhàn)，以

目錄
序
原書前言
原書致謝
第1章氮化鎵材料的性能及應用
11歷史背景
12氮化物的基本性質(zhì)
121微觀結(jié)構(gòu)及相關問題
122光學性質(zhì)
123電學性質(zhì)
124AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣（2DEG）
13GaN基材料的應用
131光電子器件
132功率電子器件和高頻電子器件
14總結(jié)
致謝
參考文獻
第2章GaN基材料：襯底、金屬有機物氣相外延和量子阱
21引言
22塊體GaN生長
221氫化物氣相外延（HVPE）
222鈉助溶劑生長法
223氨熱生長
23金屬有機物氣相外延生長
231氮化物MOVPE基礎知識
232異質(zhì)襯底上外延
233通過ELOG、FACELO等方法減少缺陷
234原位ELOG沉積SiN
235氮化物摻雜
236其他二元和三元氮化物生長
24InGaN量子阱的生長及分解
241InGaN量子阱在極化、非極化以及半極化GaN襯底
上的生長
242銦含量分布波動的原因
243InGaN量子阱的均質(zhì)化
244量子阱的分解
25總結(jié)
致謝
參考文獻
第3章毫米波用GaN基HEMT
31引言
32GaN毫米波器件的主要應用
321高功率應用
322寬帶放大器
3235G
33用于毫米波的GaN材料應用設計
331與其他射頻器件的材料性能對比
332射頻器件中的特殊材料
34毫米波GaN器件的設計與制造
341各種GaN器件關鍵工藝步驟
342先進的毫米波GaN晶體管
35MMIC功率放大器概述
351基于ⅢN器件的MMIC技術(shù)
352從Ka波段到D波段頻率的MMIC示例
36總結(jié)
參考文獻
第4章常關型GaN HEMT技術(shù)
41引言
411AlGaN/GaN HEMT閾值電壓
42GaN HEMT共源共柵結(jié)構(gòu)
43真正的常關型HEMT技術(shù)
431凹柵HEMT
432氟技術(shù)HEMT
433凹柵混合MIS HEMT
434p型GaN柵HEMT
44其他方法
45總結(jié)
致謝
參考文獻
第5章垂直型GaN功率器件
51引言
52用于功率轉(zhuǎn)換的垂直型GaN器件
53垂直型GaN晶體管
531電流孔徑垂直電子晶體管（CAVET）
532垂直型GaN MOSFET
54GaN高壓二極管
55GaN pn二極管雪崩電致發(fā)光
56GaN的碰撞電離系數(shù)
57總結(jié)
致謝
參考文獻
第6章GaN電子器件可靠性
61引言
611GaN HEMT的可靠性測試和失效分析
62射頻應用中GaN HEMT的可靠性
621AlGaN/GaN HEMT
622InAlN/GaN HEMT
623射頻GaN HEMT中的熱問題
63GaN功率開關器件的可靠性和魯棒性
631摻碳GaN緩沖層中的寄生效應
632p型GaN開關HEMT中的柵極退化
633GaN MIS HEMT中閾值電壓不穩(wěn)定性
64總結(jié)
致謝
參考文獻
第7章發(fā)光二極管
71引言
72最先進的GaN發(fā)光二極管
721藍光二極管
722綠光二極管
73GaN白光LED：制備方法和特性
731單片發(fā)光二極管
732磷光體覆蓋的發(fā)光二極管
74AlGaN深紫外LED
741生長高質(zhì)量AlN和提高內(nèi)量子效率（IQE）
742基于AlGaN的UVC LED
743提高光提取效率（LEE）
75總結(jié)
致謝
參考文獻
第8章分子束外延生長激光二極管
81引言
82等離子體輔助分子束外延（PAMBE）ⅢN族材料的生長
原理
821N通量在高效InGaN量子阱材料中的作用
83寬InGaN量子阱超越量子約束的斯塔克效應
84AmmonoGaN襯底制備的長壽命激光二極管
85隧道結(jié)激光二極管
851垂直互連的激光二極管堆
852分布式反饋激光二極管
86總結(jié)
致謝
參考文獻
第9章邊緣發(fā)射激光二極管和超輻射發(fā)光二極管
91激光二極管的歷史與發(fā)展
911光電子學背景
912GaN技術(shù)突破
913氮化物激光二極管的發(fā)展
92分布式反饋激光二極管
93超輻射發(fā)光二極管
931超輻射發(fā)光二極管的發(fā)展歷史
932基本SLD特性
933SLD優(yōu)化面臨的挑戰(zhàn)
94半導體光放大器
95總結(jié)
參考文獻
第10章綠光和藍光垂直腔面發(fā)射激光器
101引言
1011GaN VCSEL的特性和應用
1012GaN VCSEL的簡史和現(xiàn)狀
1013不同DBR結(jié)構(gòu)GaN VCSEL
102不同器件結(jié)構(gòu)的散熱效率
1021器件熱分布模擬
1022熱阻Rth對諧振腔長度的依賴性
103基于InGaN量子點的綠光VCSEL
1031量子點相對于量子阱的優(yōu)勢
1032InGaN量子點的生長及其光學特性
1033VCSEL的制備過程
1034綠光量子點VCSEL特性
104基于藍光InGaN量子阱局域態(tài)和腔增強發(fā)光效應的
綠光VCSEL
1041諧振腔效應
1042諧振腔增強的綠光VCSEL的特性
105基于量子阱內(nèi)嵌量子點有源區(qū)結(jié)構(gòu)的雙波長激射
1051量子阱內(nèi)嵌量子點（QDinQW）結(jié)構(gòu)特性
1052VCSEL激射特性
106具有不同橫向光限制的藍光VCSEL
1061折射率限制結(jié)構(gòu)的設計
1062LOC結(jié)構(gòu)VCSEL的發(fā)光特性
107總結(jié)
參考文獻
第11章新型電子和光電應用的2D材料與氮化物集成
111引言
112用氮化物半導體制造2D材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)
1121轉(zhuǎn)移在其他襯底上生長的2D材料
11222D材料在Ⅲ族氮化物上的直接生長
1123氮化物半導體薄膜的2D材料生長
113基于2D材料/GaN異質(zhì)結(jié)的電子器件
113

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