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
121微觀結構及相關問題
122光學性質
123電學性質
124AlGaN/GaN異質結構中的二維電子氣（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
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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量子阱的均質化
244量子阱的分解
25總結
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用於毫米波的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基於ⅢN器件的MMIC技術
352從Ka波段到D波段頻率的MMIC示例
36總結
參考文獻
第4章常關型GaN HEMT技術
41引言
411AlGaN/GaN HEMT閾值電壓
42GaN HEMT“共源共柵”結構
43“真正的”常關型HEMT技術
431凹柵HEMT
432氟技術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
致謝
參考文獻
第5章垂直型GaN功率器件
51引言
52用於功率轉換的垂直型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二極管雪崩電致發光
56GaN的踫撞電離繫數
57總結
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緩衝層中的寄生效應
632p型GaN開關HEMT中的柵極退化
633GaN MIS HEMT中閾值電壓不穩定性
64總結
致謝
參考文獻
第7章發光二極管
71引言
72最先進的GaN發光二極管
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單片發光二極管
732磷光體覆蓋的發光二極管
74AlGaN深紫外LED
741生長高質量AlN和提高內量子效率（IQE）
742基於AlGaN的UVC LED
743提高光提取效率（LEE）
75總結
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
致謝
參考文獻
第9章邊緣發射激光二極管和超輻射發光二極管
91激光二極管的歷史與發展
911光電子學背景
912GaN技術突破
913氮化物激光二極管的發展
92分布式反饋激光二極管
93超輻射發光二極管
931超輻射發光二極管的發展歷史
932基本SLD特性
933SLD優化面臨的挑戰
94半導體光放大器
95總結
參考文獻
第10章綠光和藍光垂直腔面發射激光器
101引言
1011GaN VCSEL的特性和應用
1012GaN VCSEL的簡史和現狀
1013不同DBR結構GaN VCSEL
102不同器件結構的散熱效率
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基於InGaN量子點的綠光VCSEL
1031量子點相對於量子阱的優勢
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基於藍光InGaN量子阱局域態和腔增強發光效應的
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基於量子阱內嵌量子點有源區結構的雙波長激射
1051量子阱內嵌量子點（QDinQW）結構特性
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折射率限制結構的設計
1062LOC結構VCSEL的發光特性
107總結
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材料異質結構
1121轉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基於2D材料/GaN異質結的電子器件
113

原書前言
如今，氮化鎵（GaN）和其他相關材AlGaN、InGaNInAlGaN）廣泛應用於光電子器件制造。此外，這些氮化物中有一些可以用作半導體材料，應用於高效節能的電子器件。因此，對於現代電子學和光電子學的變革和發展，人們常半開玩笑地將其稱作“GaN化”。
多位業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基技術在功率電子和光電子器件兩大領域的最新發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裡程碑事件。其次著重介紹了InGaN量子阱和AlGaN/GaN異質結構，二者對於發光二極管（LED）、激光二極管（LD）和高電子遷移率晶體管（HEMT）至關重要。最後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結構構成，該結構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。隨後，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型半導體摻雜技術的難點。本章有一部分專門介紹InGaN量子阱，量子阱在發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定性方面，仍然存在嚴重的問題。
關於高頻電子方面，當前對於毫米波（mmW）帶寬30~300GHz的研究熱度持續攀升，因為其短波長和寬頻帶的特點，能使更小的器件發揮更好的性能。無線通信繫統正擴展至更高頻段。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，預期的應用範圍包括高功率放大器、寬帶放大器和5G無線網絡。對不同GaN基材料在毫米波頻譜的應用設計進行介紹，能體現其高頻應用方面的優勢和局限性。本章還對器件設計和毫米波GaN器件制造進行了分析。本章的最後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。由於二維電子氣（2DEG）特性，AlGaN/GaN HEMT常用作常開型器件。然而，很多功率電子繫統需要常關型晶體管。因此，第4章回顧了當前常關型GaN HEMT技術。首先，簡單介紹制備HEMT的“共源共柵”技術，重點關注該方法的優勢和局限性。隨後闡釋凹柵HEMT技術和氟技術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定的常關型GaN HEMT制造技術。本章還將討論上述技術（如異質結構設計、柵極介電層、金屬柵極）最關鍵的問題。
對於功率電子領域，為了降低導通電阻並增大電流能力，相較於水平結構，垂直型器件拓撲結構更受青睞。因此，第5章對基於體GaN襯底的垂直型器件進行了概述。GaN技術領域，過去10年所開發的二端器件和三端器件，垂直型結構獨領風騷，處於主導地位。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，本章還介紹了踫撞電離繫數的最新研究。
如果沒有對穩定性和可靠性問題的深入研究，基於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。對於功率開關器件，本章介紹了GaN緩衝層的碳摻雜對緩衝層動態導通電阻和隨時間變化的介質擊穿的影響。最後，本章討論了常關p型GaN HEMT的柵極退化與GaN MIS HEMT閾值電壓不穩定性問題。
GaN基半導體能發射的波長範圍很廣，發光範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發光效率就會降低。此外，這些器件在光質［比如顯色指數（CRI）和相關色溫（CCT）］方面的全部潛力，仍然可以通過現有的或替代的方案加以改進，本章對此進行了討論。AlGaN深紫外發光二極管（DUV LED）具有廣泛的潛在應用，包括消毒、水淨化等。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，並介紹通過激發態的高效躍遷路徑模型來解釋實驗觀察結果。此外，本章還介紹了通過PAMBE生長的激光器的可靠性。最後，本章討論了隧道結（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、發展過程遇到的科技挑戰，以