垂直型GaN和SiC功率器件

　　近年来.以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体化合物为代表的第三代半导体材料引发全球瞩目.第三代半导体广泛应用于新一代移动通信、新能源汽车、物联网和国防电子等产业.已成为国际半导体领域的重点研究方向. 本书主要介绍垂直型GaN和SiC功率器件的材料、工艺、特性和可靠性等相关技术.内容涵盖垂直型和横向功率半导体器件的比较.GaN和SiC的物理性质、外延生长、制备工艺、主要器件结构与特性.以及垂直型GaN和SiC功率器件的可靠性研究等. 本书适合从事GaN和SiC功率半导体技术的科研工作者、工程师阅读.也可作为高等院校微电子科学与工程、电力电子技术等相关专业的教材.

　　望月和浩（Mochizuki Kazuhiro） 1986年获得学士学位，1988年获得硕士学位，1995年获得日本东京大学电子工程专业博士学位。1988年加入东京日立株式会社中央研究实验室，期间参与了GaN和SiC功率器件以及GaAs（砷化镓）微波功率放大器的研究。从1999年到2000年，担任加州大学圣地亚哥分校访问研究员。自2015年以来，他供职于日本国家先进工业科学技术研究所。目前研究方向与高压超结功率器件有关。 他先后在国际学术期刊和会议论文集上发表100多篇研究论文。IEEE高级会员，日本应用物理学会会员。东京电子通信大学和东京法政大学兼职讲师。

译者的话
原书前言
第１章　垂直型与横向功率半导体器件 .１
１.１　引言 １
１.２　典型功率半导体器件特性 .３
１.３　垂直型与横向单极功率半导体器件 .４
１.３.１　垂直型和横向单极功率开关器件 ５
１.３.２　垂直型和横向单极功率二极管 .８
１.４　总结 .１０
参考文献 １１

第２章　GaN和SiC的物理性质 .１３
２.１　引言 .１３
２.２　晶体结构 .１４
２.２.１　ＡｌＮ和GaN的晶体结构 .１４
２.２.２　SiC的晶体结构 .１７
２.２.３　晶体缺陷 １８
２.３　能带 .２０
２.４　杂质掺杂 .２２
２.４.１　ｎ型掺杂 ２３
２.４.２　ｐ型掺杂 ２４
２.５　载流子迁移率 .２５
２.６　碰撞电离 .２６
２.７　品质因数 .２７
２.８　总结 .２９ .
参考文献 ２９

第３章　ｐ￣ｎ结 ３４
３.１　引言 .３４
３.２　扩散 .３４
３.３　连续性方程 ３５
３.４　载流子复合寿命 ３６
３.４.１　带间复合寿命 ３６
３.４.２　间接复合寿命 ３８
３.４.３　俄歇复合寿命 ３９
３.４.４　载流子复合寿命的整体表达式 .３９
３.５　一维ｐ＋ｎ突变结的耗尽区宽度 ４１
３.６　一维正向电流 ./电压特性 .４３
３.６.１　小注入条件 .４３
３.６.２　大注入条件 .４５
３.６.３　测量电流 ./电压特性的示例 ４６
３.７　多维正向电流 ./电压特性 .４７
３.７.１　表面复合对ｐ＋ｎ二极管外部电流的影响 .４７
３.７.２　电场强度对非自对准台面型ｐ＋ｎ二极管的影响 ４９
３.８　结击穿 ５２
３.９　总结 .５２
参考文献 ５２

第４章　光子回收效应 ５５
４.１　引言 .５５
４.２　光子回收现象的分类 ５６
４.３　本征光子回收 .５８
４.４　本征光子回收对正偏GaNｐ￣ｎ结二极管的影响 .６０
４.５　自热效应对正偏GaNｐ￣ｎ结二极管的影响 .６２
４.６　非本征光子回收对正偏GaNｐ￣ｎ结二极管的影响 ６３
４.７　非本征光子回收的可能模型 .６７
４.８　总结 .６８ .
参考文献 ６８

第５章　体块单晶生长 ７１
５.１　引言 .７１
５.２　ＨＶＰＥ法生长GaN .７２
５.２.１　ＨＶＰＥ法生长GaN的机制 ７２
５.２.２　GaNＨＶＰＥ法生长中的掺杂 ７３
５.２.３　GaN的横向外延生长 .７３
５.３　高压氮溶液生长GaN ７４
５.４　钠助溶剂生长GaN .７４
５.５　氨热法生长GaN ７４
５.６　升华法生长SiC单晶 ７５
５.６.１　SiC的升华法生长原理 ７５
５.６.２　升华法生长SiC单晶中的掺杂 .７６
５.７　高温化学气相沉积法生长SiC单晶 ７６
５.８　溶液生长法生长SiC单晶 ７７
５.９　总结 .７７
参考文献 ７８

第６章　外延生长 ８２
６.１　引言 .８２
６.２　GaN金属有机化学气相沉积 .８２
６.３　二维成核理论 .８５
６.４　ＢＣＦ理论 .８６
６.５　４Ｈ￣SiC的化学气相沉积 .８７
６.６　４Ｈ￣SiC的化学气相沉积沟槽填充 .９２
６.７　总结 .９４
参考文献 ９５

第７章　制作工艺 ９９
７.１　引言 .９９
７.２　刻蚀 .９９ .
７.２.１　ＩＣＰ刻蚀 .１００
７.２.２　湿法化学刻蚀 .１００
７.３　离子注入 .１０２
７.３.１　离子注入GaN .１０２
７.３.２　铝离子注入４Ｈ￣SiC .１０３
７.３.３　氮离子和磷离子注入４Ｈ￣SiC .１０６
７.４　扩散 .１０６
７.４.１　SiC中硼扩散的历史背景 １０７
７.４.２　双子晶格扩散建模 .１０８
７.４.３　半原子模拟 １１０
７.５　氧化 .１１２
７.５.１　GaN的热氧化 .１１２
７.５.２　４Ｈ￣SiC的热氧化 １１２
７.６　金属化 １１３
７.６.１　与GaN的欧姆接触 .１１３
７.６.２　与４Ｈ￣SiC的欧姆接触 １１３
７.７　钝化 .１１４
７.８　总结 .１１４
参考文献 .１１４

第８章　金属半导体接触和单极功率二极管 .１２３
８.１　引言 .１２３
８.２　肖特基势垒的降低 .１２５
８.３　正向偏置的肖特基结 １２５
８.４　基于扩散理论的正向电流 ./电压特性 .１２７
８.５　基于ＴＥＤ理论的正向电流 ./电压特性 .１２９
８.６　基于ＴＦＥ理论的反向电流 ./电压特性 .１２９
８.７　纯ＳＢＤ .１３２
８.７.１　纯GaNＳＢＤ １３２
８.７.２　纯４Ｈ￣SiCＳＢＤ .１３４
８.８　缓变ＡｌGaNＳＢＤ .１３５
８.９　带有ｐ＋型薄层的４Ｈ￣SiCＳＢＤ .１３５ .
８.１０　屏蔽平面ＳＢＤ １３８
８.１０ １　GaN混合型ｐ￣ｎ肖特基二极管 １３８
８.１０ ２　４Ｈ￣SiCＪＢＳ二极管 .１３９
８.１１　总结 １４１
参考文献 .１４１

第９章　金属绝缘体半导体电容器和单极功率开关器件 .１４５
９.１　引言 .１４５
９.２　ＭＩＳ电容器 １４６
９.２.１　理想的ＭＩＳ电容器 .１４６
９.２.２　绝缘介质和固定电荷对ＭＩＳ电容器的影响 .１４８
９.３　ＡｌGaN ./GaN异质结构 .１４９
９.４　GaN、ＡｌＮ、４Ｈ￣SiC和代表性绝缘介质的能带阵容 .１５０
９.５　GaNＨＦＥＴ １５１
９.５.１　GaNＭＩＳＨＦＥＴ １５１
９.５.２　GaNＭＥＳＦＥＴ .１５５
９.５.３　GaNｐ＋栅极ＨＦＥＴ .１５６
９.６　４Ｈ￣SiCＪＦＥＴ .１５８
９.７　ＭＩＳＦＥＴ .１５９
９.７.１　平面ＭＩＳＦＥＴ .１６１
９.７.２　沟槽ＭＩＳＦＥＴ .１６５
９.７.３　ＳＪＭＩＳＦＥＴ １６８
９.８　总结 .１６９
参考文献 .１６９

第１０章　双极功率二极管和功率开关器件 １７６
１０.１　引言 １７６
１０.２　一维ｐ￣ｎ结二极管的优化设计 .１７９
１０.３　具有非均匀掺杂漂移层的GaNｐ￣ｎ结二极管 .１８２
１０.４　４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二极管 .１８４
１０ ４.１　已报道的４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二极管结果 .１８４
１０ ４.２　正偏４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二极管的存储电荷 １８５ .
１０ ４.３　４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二极管的反向恢复 .１８６
１０.５　ｎ￣ｐ￣ｎ双极晶体管 １８６
１０ ５.１　集电极层设计 １８７
１０ ５.２　基极层设计 １８９
１０ ５.３　二次击穿的临界集电极电流密度 １８９
１０ ５.４　GaNＢＪＴ １８９
１０ ５.５　SiCＢＪＴ １９０
１０.６　肖克利二极管 １９０
１０ ６.１　肖克利二极管的反向阻断 １９１
１０ ６.２　肖克利二极管的正向阻断 １９１
１０.７　SiC晶闸管 １９３
１０.８　SiC绝缘栅型晶闸管 １９３
１０.９　总结 １９５
参考文献 .１９５

第１１章　边缘终端 .１９９
１１.１　引言 １９９
１１.２　GaN功率器件的ＭＦＰ ２０３
１１ ２.１　不带保护环的ＭＦＰ ２０３
１１ ２.２　保护环辅助ＭＦＰ .２０４
１１.３　用于４Ｈ￣SiC功率器件的ＳＭ￣ＪＴＥ .２０４
１１.４　用于４Ｈ￣SiC功率器件的ＣＤ￣ＪＴＥ .２０５
１１.５　用于４Ｈ￣SiC功率器件的混合型ＪＴＥ ２０５
１１.６　总结 ２０６
参考文献 .２０７

第１２章　垂直型GaN和SiC功率器件可靠性 ２０９
１２.１　引言 ２０９
１２.２　ＨＴＲＢ应力耐受性 ２０９
１２.３　ＨＴＧＢ应力耐受性 ２１１
１２.４　Ｈ３ＴＲＢ应力耐受性 ２１２
１２.５　ＴＣ应力耐受性 .２１３
.１２.６　ＨＴＯ应力耐受性 .２１３
１２.７　地面宇宙辐射耐受性 .２１３
１２.８　总结 ２１５
参考文献 ２１５