垂直型 GaN 和 SiC 功率器件

近年來.以氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等寬禁帶半導體化合物為代表的第三代半導體材料引發矚目.
第三代半導體廣泛應用於新一代移動通信、新能源汽車、物聯網和國防電子等產業.已成為半導體領域的重點研究方向.
本書主要介紹垂直型GaN和SiC功率器件的材料、工藝、特性和可靠性等相關技術.
內容涵蓋垂直型和橫向功率半導體器件的比較.GaN和SiC的物理性質、外延生長、製備工藝、主要器件結構與特性.
以及垂直型GaN和SiC功率器件的可靠性研究等.
本書適合從事GaN和SiC功率半導體技術的科研工作者、工程師閱讀.
也可作為高等院校微電子科學與工程、電力電子技術等相關專業的教材.
 

望月和浩（Mochizuki Kazuhiro）
 1986年獲得學士學位，1988年獲得碩士學位，1995年獲得日本東京大學電子工程專業博士學位。
1988年加入東京日立株式會社中央研究實驗室，期間參與了GaN和SiC功率器件以及GaAs（砷化鎵）微波功率放大器的研究。
從1999年到2000年，擔任加州大學聖地亞哥分校訪問研究員。
自2015年以來，他供職於日本工業科學技術研究所。
目前研究方向與高壓超結功率器件有關。
他先後在學術期刊和會議論文集上發表100多篇研究論文。
IEEE 會員，日本應用物理學會會員。
東京電子通信大學和東京法政大學兼職講師。

目錄
譯者的話
原書前言
第１章垂直型與橫向功率半導體器件.１
１.１ 引言１
１.２ 典型功率半導體器件特性.３
１.３ 垂直型與橫向單極功率半導體器件.４
１.３.１ 垂直型和橫向單極功率開關器件５
１.３.２ 垂直型和橫向單極功率二極管.８
１.４ 總結.１０
參考文獻１１

第２章GaN和SiC的物理性質.１３
２.１ 引言.１３
２.２ 晶體結構.１４
２.２.１ ＡｌＮ和GaN的晶體結構.１４
２.２.２ SiC的晶體結構.１７
２.２.３ 晶體缺陷１８
２.３ 能帶.２０
２.４ 雜質摻雜.２２
２.４.１ ｎ型摻雜２３
２.４.２ ｐ型摻雜２４
２.５ 載流子遷移率.２５
２.６ 碰撞電離.２６
２.７ 品質因數.２７
２.８ 總結.２９ .
參考文獻２９

第３章ｐ￣ｎ結３４
３.１ 引言.３４
３.２ 擴散.３４
３.３ 連續性方程３５
３.４ 載流子復合壽命３６
３.４.１ 帶間複合壽命３６
３.４.２ 間接複合壽命３８
３.４.３ 俄歇複合壽命３９
３.４.４ 載流子復合壽命的整體表達式.３９
３.５ 一維ｐ＋ｎ突變結的耗盡區寬度４１
３.６ 一維正向電流.電壓特性.４３
３.６.１ 小注入條件.４３
３.６.２ 大注入條件.４５
３.６.３ 測量電流.電壓特性的示例４６
３.７ 多維正向電流.電壓特性.４７
３.７.１ 表面複合對ｐ＋ｎ二極管外部電流的影響.４７
３.７.２ 電場強度對非自對準檯面型ｐ＋ｎ二極管的影響４９
３.８ 結擊穿５２
３.９ 總結.５２
參考文獻５２

第４章光子回收效應５５
４.１ 引言.５５
４.２ 光子回收現象的分類５６
４.３ 本徵光子回收.５８
４.４ 本徵光子回收對正偏GaNｐ￣ｎ結二極管的影響.６０
４.５ 自熱效應對正偏GaNｐ￣ｎ結二極管的影響.６２
４.６ 非本徵光子回收對正偏GaNｐ￣ｎ結二極管的影響６３
４.７ 非本徵光子回收的可能模型.６７
４.８ 總結.６８ .
參考文獻６８

第５章體塊單晶生長７１
５.１ 引言.７１
５.２ ＨＶＰＥ法生長GaN .７２
５.２.１ ＨＶＰＥ法生長GaN的機制７２
５.２.２ GaNＨＶＰＥ法生長中的摻雜７３
５.２.３ GaN的橫向外延生長.７３
５.３ 高壓氮溶液生長GaN ７４
５.４ 鈉助溶劑生長GaN .７４
５.５ 氨熱法生長GaN ７４
５.６ 昇華法生長SiC單晶７５
５.６.１ SiC的昇華法生長原理７５
５.６.２ 昇華法生長SiC單晶中的摻雜.７６
５.７ 高溫化學氣相沉積法生長SiC單晶７６
５.８ 溶液生長法生長SiC單晶７７
５.９ 總結.７７
參考文獻７８

第６章外延生長８２
６.１ 引言.８２
６.２ GaN金屬有機化學氣相沉積.８２
６.３ 二維成核理論.８５
６.４ ＢＣＦ理論.８６
６.５ ４Ｈ￣SiC的化學氣相沉積.８７
６.６ ４Ｈ￣SiC的化學氣相沉積溝槽填充.９２
６.７ 總結.９４
參考文獻９５

第７章製作工藝９９
７.１ 引言.９９
７.２ 刻蝕.９９ .
７.２.１ ＩＣＰ刻蝕.１００
７.２.２ 濕法化學刻蝕.１００
７.３ 離子注入.１０２
７.３.１ 離子注入GaN .１０２
７.３.２ 鋁離子注入４Ｈ￣SiC .１０３
７.３.３ 氮離子和磷離子注入４Ｈ￣SiC .１０６
７.４ 擴散.１０６
７.４.１ SiC中硼擴散的歷史背景１０７
７.４.２ 雙子晶格擴散建模.１０８
７.４.３ 半原子模擬１１０
７.５ 氧化.１１２
７.５.１ GaN的熱氧化.１１２
７.５.２ ４Ｈ￣SiC的熱氧化１１２
７.６ 金屬化１１３
７.６.１ 與GaN的歐姆接觸.１１３
７.６.２ 與４Ｈ￣SiC的歐姆接觸１１３
７.７ 鈍化.１１４
７.８ 總結.１１４
參考文獻.１１４

第８章金屬半導體接觸和單極功率二極管.１２３
８.１ 引言.１２３
８.２ 肖特基勢壘的降低.１２５
８.３ 正向偏置的肖特基結１２５
８.４ 基於擴散理論的正向電流.電壓特性.１２７
８.５ 基於ＴＥＤ理論的正向電流.電壓特性.１２９
８.６ 基於ＴＦＥ理論的反向電流.電壓特性.１２９
８.７ 純ＳＢＤ .１３２
８.７.１ 純GaNＳＢＤ １３２
８.７.２ 純４Ｈ￣SiCＳＢＤ .１３４
８.８ 緩變ＡｌGaNＳＢＤ .１３５
８.９ 帶有ｐ＋型薄層的４Ｈ￣SiCＳＢＤ .１３５ .
８.１０ 屏蔽平面ＳＢＤ １３８
８.１０ １ GaN混合型ｐ￣ｎ肖特基二極管１３８
８.１０ ２ ４Ｈ￣SiCＪＢＳ二極管.１３９
８.１１ 總結１４１
參考文獻.１４１

第９章金屬緣體半導體電容器和單極功率開關器件.１４５
９.１ 引言.１４５
９.２ ＭＩＳ電容器１４６
９.２.１ 理想的ＭＩＳ電容器.１４６
９.２.２ 緣介質和固定電荷對ＭＩＳ電容器的影響.１４８
９.３ ＡｌGaN .GaN異質結構.１４９
９.４ GaN、ＡｌＮ、４Ｈ￣SiC和代表性緣介質的能帶陣容.１５０
９.５ GaNＨＦＥＴ １５１
９.５.１ GaNＭＩＳＨＦＥＴ １５１
９.５.２ GaNＭＥＳＦＥＴ .１５５
９.５.３ GaNｐ＋柵極ＨＦＥＴ .１５６
９.６ ４Ｈ￣SiCＪＦＥＴ .１５８
９.７ ＭＩＳＦＥＴ .１５９
９.７.１ 平面ＭＩＳＦＥＴ .１６１
９.７.２ 溝槽ＭＩＳＦＥＴ .１６５
９.７.３ ＳＪＭＩＳＦＥＴ １６８
９.８ 總結.１６９
參考文獻.１６９

第１０章雙極功率二極管和功率開關器件１７６
１０.１ 引言１７６
１０.２ 一維ｐ￣ｎ結二極管的優化設計.１７９
１０.３ 具有非均勻摻雜漂移層的GaNｐ￣ｎ結二極管.１８２
１０.４ ４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二極管.１８４
１０ ４.１ 已報導的４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二極管結果.１８４
１０ ４.２ 正偏４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二極管的存儲電荷１８５ .
１０ ４.３ ４Ｈ￣SiCｐ￣ｉ￣ｎ二極管的反向恢復.１８６
１０.５ ｎ￣ｐ￣ｎ雙極晶體管１８６
１０ ５.１ 集電極層設計１８７
１０ ５.２ 基極層設計１８９
１０ ５.３ 二次擊穿的臨界集電極電流密度１８９
１０ ５.４ GaNＢＪＴ １８９
１０ ５.５ SiCＢＪＴ １９０
１０.６ 肖克利二極管１９０
１０ ６.１ 肖克利二極管的反向阻斷１９１
１０ ６.２ 肖克利二極管的正向阻斷１９１
１０.７ SiC晶閘管１９３
１０.８ SiC 緣柵型晶閘管１９３
１０.９ 總結１９５
參考文獻.１９５

第１１章邊緣終端.１９９
１１.１ 引言１９９
１１.２ GaN功率器件的ＭＦＰ ２０３
１１ ２.１ 不帶保護環的ＭＦＰ ２０３
１１ ２.２ 保護環輔助ＭＦＰ .２０４
１１.３ 用於４Ｈ￣SiC功率器件的ＳＭ￣ＪＴＥ .２０４
１１.４ 用於４Ｈ￣SiC功率器件的ＣＤ￣ＪＴＥ .２０５
１１.５ 用於４Ｈ￣SiC功率器件的混合型ＪＴＥ ２０５ 
１１.６ 總結２０６
參考文獻.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應力耐受性２０９
１２.３ ＨＴＧＢ應力耐受性２１１
１２.４ Ｈ３ＴＲＢ應力耐受性２１２
１２.５ ＴＣ應力耐受性.２１３
.１２.６ ＨＴＯ應力耐受性.２１３
１２.７ 地面宇宙輻射耐受性.２１３
１２.８ 總結２１５
參考文獻２１５