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異質結構，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(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。首先，簡單介紹制備HEMT的共源�补矕偶夹g，重點關注該方法的優(yōu)勢和局限性。隨后闡釋凹柵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(wěn)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，相較于水平結構，垂直型器件拓撲結構更受青睞。因此，第5章對基于體GaN襯底的垂直型器件進行了概述。GaN技術領域，過去10年所開發(fā)的二端器件和三端器件，垂直型結構獨領風騷，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［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（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