《氮化鎵單晶材料生長與套用》是2023年西安電子科技大學出版社出版的圖書，作者是徐科。
基本介紹
- 中文名：氮化鎵單晶材料生長與套用
- 作者：徐科
- 出版時間：2022年12月12日
- 出版社：西安電子科技大學出版社
- 出版地：西安
- 頁數：336 頁
- 字數：348
- ISBN：9787560664668
- 類別：科技專著
- 定價：128 元
- 開本：16 開
- 裝幀：平裝
內容簡介,前言,圖書目錄,
內容簡介
氮化鎵單晶材料生長與套用正在快速發展，本書以作者所在團隊多年來的研究工作為基礎，並作了大量擴展和補充，呈現了該領域的最新研究成果。具體來說，本書分八章內容詳細介紹了氮化鎵單晶材料生長的基本原理、技術方法、發展現狀及套用趨勢。
本書系統性強，有較完整的專業知識講解，實驗數據豐富。雖然本書所涉及內容沒有涵蓋氮化鎵單晶材料生長的全部內容，但具有典型性、扼要性、前瞻性。本書可供從事氮化鎵單晶材料生長相關研究的科研和工程技術人員閱讀參考，也可作為高等院校相關專業領域研究生和高年級本科生的參考教材。
前言
氮化鎵材料作為第三代半導體的典型代表材料之一，近年來得到快速發展，在新型顯示、電力電子、微波通信等套用領域彰顯出十分重要的地位。以氮化鎵為代表的第三代半導體技術正在推動多個產業的變革，也正在逐步成為智慧型社會的重要支撐。
這一研究領域的相關著作多為國外科研人員所著，且偏重基礎理論的介紹，在國內尚無可供普通研究人員快速把握氮化鎵單晶材料這一領域知識的系統性著作和工具參考書。為了簡明扼要地展示該領域的前沿成果和研究進展，本書著重總結了氮化鎵單晶材料生長與套用的關鍵技術和基本規律，對具體的工藝技術則由讀者結合實際操作來加深理解。
隨著材料生長裝備製造工藝技術的提高，近十年來氮化鎵單晶材料生長技術得到了快速發展，已實現位錯密度低至102 cm-2的襯底製備，晶圓尺寸也已達到6英寸（1英寸=2.54 cm），結合最佳化的摻雜工藝技術，可為套用市場提供導電、半絕緣、高阻等各種光電類型的單晶材料。同時，隨著單晶質量的提高，氮化鎵單晶材料也為下游新型器件的開發提供了可能性和創新思路。對高質量氮化鎵單晶材料和器件的研究是一門在不斷發展的學科，其相關的科學和技術水平也將逐漸完善和成熟，讀者應從發展的角度辯證地學習和參考本書的知識。
全書共分八章：
第1章、第2章就氮化鎵單晶材料製備過程中所涉及的核心物理基礎進行討論，包括單晶結構特性、物化特性、相圖、生長驅動力等，這些內容是單晶材料製備的核心基礎。所用數據皆來自公開文獻，且未涉及氮化鎵單晶材料的全部基本特性。鑒於作者多年的材料生長經驗，本書只對關鍵性質和基本規律著重分析討論，初學者可結合相關文獻進一步拓展相關知識。
第3章至第5章分別就當前氮化鎵單晶製備的主流方法，即氫化物氣相外延生長法、氨熱法和助熔劑法的基本生長原理、研究進展、生長技術核心問題等進行了討論，該部分內容更適合給熟悉晶體生長工藝和有一定實踐經驗的讀者提供參考。氫化物氣相外延生長法是氮化鎵單晶材料生長中已實現市場化規模製備的生長技術，產品級位錯密度已低至105 cm-2，研發級位錯密度已低至104 cm-2，最大晶片尺寸可達6英寸，但在應力控制、生產成本等方面仍存在不少問題。氨熱法作為一種新興的製備技術路線，近年來發展迅速，特別是以波蘭高壓研究院、日本三菱化學為代表的研發團隊，位錯密度低至102 cm-2、晶片尺寸可達4英寸的高質量單晶材料製備，但在礦化劑穩定性、雜質控制、尺寸放大等方面也面臨著巨大挑戰。助熔劑法，同樣作為一種新興的生長技術，因其相對氨熱法製備壓力較低，且易於實現大尺寸製備，近年來得到了關注和快速發展，已實現位錯密度低至102 cm-2，晶片尺寸最大可達6英寸，但在雜質控制、應力控制等方面也存在不少問題。這些生長技術所面臨的問題亟需研究者共同解決。也希望研究者能海納百川，把握領域最新動態並積極開展合作，以加速氮化鎵單晶材料製備技術的發展壯大。
第6章為基於氮化鎵單晶襯底的同質外延生長的基本方法和技術討論。基於氮化鎵單晶襯底的外延技術作為氮化物生長技術重要的組成部分和技術路線之一，也正在成為氮化物半導體技術發展的主流趨勢之一。本章著重在外延生長界面控制、襯底表面處理、缺陷控制等方面展開討論。基於高質量氮化鎵單晶襯底的外延研究尚處於研究初期，還有很多問題需要解決，也需要更多有興趣的研究人員投身其中。
第7章、第8章分別針對氮化鎵單晶材料的光電器件、電力電子器件套用進展進行討論，包括高光效LED、MicroLED、肖特基勢壘二極體、場效應電晶體、高電子遷移率電晶體等典型套用。雖然有重要進展，包括較低的開啟電阻、逼近理論的擊穿電壓，但受限於工藝設備和工藝方法，仍有很多問題。但可以肯定的是，高質量的氮化鎵單晶材料將為推動高性能的器件開發提供重要保障。
作者秉持開放、學習的態度，致力於與本領域的同行共同探討氮化鎵材料生長及器件套用的未來發展，希望可以給相關領域人員呈現出氮化鎵材料生長和套用的前沿發展現狀和前景。同時，希望能帶給讀者更多的思考並使之產生積極的創新點，這也是本書編撰的初衷之一。
本書由徐科博士主持編寫，第1章、第2章由蘇旭軍博士負責編寫，第3章由王建峰博士負責編寫，第4章由任國強博士、李騰坤博士負責編寫，第5章由劉宗亮博士、司志偉博士負責編寫，第6章由徐俞博士負責編寫，第7章由王淼博士負責編寫，第8章由張育民博士負責編寫。除以上編撰人員之外，還有蔡德敏、王明月、胡曉劍、石林、張紀才等參與了氮化鎵材料的研究工作，在此一併表示感謝，與本書相關的研究內容和成果得到了國家自然科學基金委項目、科技部973項目和863項目、科技部重點研發計畫項目、中科院重點項目、江蘇省科技項目等的支持。
本書在編撰過程中，得到了諸多同行的支持和鼓勵，特別是本系列叢書的編委會主任郝躍院士，更是給予了編撰方向的寶貴意見，在此，向各位表示衷心的感謝，同時，出版社的陳婷編輯也提出了很多積極的修改建議，一併表示誠摯的感謝
徐 科
2022年1月於蘇州
圖書目錄
第1章 氮化鎵單晶材料概述 1
1.1 氮化鎵晶體結構及其極性 2
1.1.1 纖鋅礦結構 2
1.1.2 晶體極性 3
1.1.3 能帶結構 3
1.2 氮化鎵晶體缺陷 5
1.2.1 點缺陷 5
1.2.2 位錯 12
1.2.3 層錯 21
1.2.4 倒範疇界 22 22
1.3 氮化鎵材料特性 23
1.3.1 光學特性 23
1.3.2 電學特性 26
1.3.3 熱學特性 30
參考文獻 32
第2章 氮化鎵單晶材料生長的基本特性 39
2.1 生長動力學特性 40
2.1.1 熱力學驅動力 40
2.1.2 傳質輸運 43
2.1.3 晶體生長機制 44
2.1.4 晶體生長形態 45
2.2 位錯的產生與湮滅 46
2.2.1 失配位錯產生機理 47
2.2.2 穿透位錯 48
參考文獻 50
第3章 氮化鎵單晶製備的方法——氫化物氣相外延生長法 51
3.1 發展歷程 52
3.2 生長原理及裝備 54
3.2.1 基本原理 56
3.2.2 HVPE生長過程的研究 57
3.2.3 HVPE反應器的分類及研究現狀 60
3.3 應力及缺陷控制 66
3.3.1 應力控制 66
3.3.2 缺陷控制 80
3.4 摻雜技術 91
3.4.1 非故意摻雜 91
3.4.2 Si摻雜 94
3.4.3 Ge摻雜 96
3.4.4 半絕緣摻雜 98
3.5 氮化鎵單晶襯底分離技術 102
3.5.1 自分離工藝 102
3.5.2 雷射剝離 108
3.6 發展趨勢 110
參考文獻 110
第4章 氮化鎵單晶製備的方法——氨熱法 125
4.1 發展歷程 126
4.2 生長原理 127
4.3 工藝流程和生長裝備 128
4.3.1 工藝流程 128
4.3.2 生長裝備 129
4.4 氨熱化學反應過程及溶解度控制 131
4.5 晶體生長進展 134
4.5.1 鹼性礦化劑氨熱GaN晶體生長進展 134
4.5.2 酸性礦化劑氨熱GaN晶體生長進展 138
4.6 發展趨勢 142
參考文獻 142
第5章 氮化鎵單晶製備的方法——助熔劑法 147
5.1 發展歷程 148
5.2 基本原理和控制方法 151
5.2.1 基本原理 151
5.2.2 過飽和度控制 152
5.2.3 缺陷控制 155
5.2.4 應力控制 162
5.3 液相外延生長技術 164
5.4 大尺寸氮化鎵單晶生長 167
5.4.1 多點籽晶合併法 167
5.4.2 拼接法 168
5.4.3 國內研究進展 169
5.5 發展趨勢 170
參考文獻 170
第6章 氮化鎵單晶同質外延生長技術 175
6.1 同質外延特點 176
6.1.1 同質外延的優勢 176
6.1.2 同質外延的特殊性 178
6.2 外延襯底表面處理 180
6.2.1 化學機械拋光 180
6.2.2 乾法和濕法刻蝕 181
6.3 同質外延界面控制 182
6.3.1 同質外延界面主要雜質類型 182
6.3.2 同質外延界面雜質來源 183
6.3.3 同質外延界面雜質對器件的影響 185
6.3.4 同質外延界面雜質解決方案 185
6.4 同質外延缺陷控制 187
參考文獻 189
第7章 氮化鎵單晶材料的套用——光電器件 193
7.1 套用市場分析 194
7.1.1 發光二極體（LED）套用領域 194
7.1.2 半導體雷射器（LD）套用領域 195
7.2 發光二極體（LED） 196
7.2.1 GaN基LED介紹 196
7.2.2 GaN基LED發展歷史 198
7.2.3 LED襯底材料與外延生長技術 199
7.2.4 LED晶片結構 203
7.2.5 LED晶片光效提取 207
7.2.6 非極性/半極性LED 218
7.3 微型發光二極體（MicroLED） 224
7.3.1 襯底材料 226
7.3.2 缺陷控制 227
7.3.3 波長均勻性 229
7.3.4 MicroLED器件製備與效率衰減 231
7.3.5 MicroLED全彩顯示技術 236
7.4 半導體雷射器 240
7.4.1 GaN基雷射器套用 240
7.4.2 GaN基雷射器研究現狀 243
7.5 GaN基垂直腔面發射雷射器（VCSEL） 257
7.5.1 GaN基VCSEL 套用 258
7.5.2 GaN基VCSEL發展歷史 259
7.5.3 藍紫光、綠光以及紫外GaN基VCSEL研究現狀與存在
問題 260
7.6 發展趨勢 267
7.6.1 LED發展趨勢 267
7.6.2 MicroLED顯示技術發展趨勢 268
7.6.3 半導體雷射器發展趨勢 269
參考文獻 270
第8章 氮化鎵單晶材料的套用——電力電子和微波射頻器件 297
8.1 套用市場分析 299
8.1.1 電力電子器件套用市場分析 299
8.1.2 微波射頻器件套用市場分析 300
8.2 pn結二極體 302
8.3 肖特基勢壘二極體 305
8.4 GaN基MOSFET器件 309
8.5 GaN基HEMT器件 311
8.6 Ga基CAVET器件 314
8.7 發展趨勢 316
參考文獻 318
