书名：垂直型GaN和SiC功率器件

ISBN：978-7-111-70502-4

作者：[日] 望月 和浩（Kazuhiro Mochizuki）

译者：黄锋（国家工业信息安全发展研究中心）

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.

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 A1N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　pn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GaN pn结二极管的影响60
4.5 自热效应对正偏GaN pn结二极管的影响62
4.6 非本征光子回收对正偏GaN pn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 GaN HVPE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GaN SBD 132
8.7.2 纯4H SiC SBD 134
8.8 缓变A1 GaN SBD 135
8.9 带有p+型薄层的4H SiC SBD 135

8.10 屏蔽平面ＳＢＤ１３８
8.10.1 GaN混合型pn肖特基二极管138
8.10.2 4H SiC JBS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 A1GaN/GaN异质结构 149
9.4 GaN、A1N、4H SiC和代表性绝缘介质的能带阵容 150
9.5 GaN HFET 151
9.5.1 GaN MISHFET 151
9.5.2 GaN MESFET 155
9.5.3 GaN p+栅极HFET 156
9.6 4H SiC JFET 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pn结二极管的优化设计179
10.3 具有非均匀掺杂漂移层的GaN pn结二极管182
10.4 4H SiC pin二极管184
10.4.1 已报道的4H SiC pin二极管结果184
10.4.2 正偏4H SiC pin二极管的存储电荷185
10.4.3 4H SiC pin二极管的反向恢复186
10.5 npn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 GaN BJT 189
10.5.5 SiC BJT 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 

本书原版的日文作者望月和浩先生供职于日本国家先进工业科学技术研究所，一直致力于GaN和SiC功率器件方面的研究，积累了丰富的技术经验，并且在许多方面对未来的发展做出展望。我国也在第三代半导体方面投入大量资源，正在迅速赶超和接近世界先进水平。但是在GaN和SiC功率器件方面，还有一定差距。本书的翻译对于我国第三代半导体产业的发展有积极意义，适合相关的器件设计、工艺设备、产业应用和规划领域的人士阅读。

——黄锋  国家工业信息安全发展研究中心