《硅基氮化镓外延材料与芯片》共8章。其中，第1章介绍Si基GaN材料与芯片的研究意义，着重分析了GaN材料的性质和Si基GaN外延材料与芯片制备的发展历程。第2章从Si基GaN材料的外延生长机理出发，依次介绍了GaN薄膜、零维GaN量子点、一维GaN纳米线和二维GaN生长所面临的技术难点及对应的生长技术调控手段。第3～7章依次介绍了Si基GaNLED材料与芯片、Si基GaN高电子迁移率晶体管、Si基GaN肖特基二极管、Si基GaN光电探测芯片和Si基GaN光电解水芯片的工作原理、技术瓶颈、制备工艺以及芯片性能调控技术，并介绍了上述各种Si基GaN芯片的应用与发展趋势。第8章对Si基GaN集成芯片技术进行了阐述。

目录
《半导体科学与技术丛书》出版说明
序
前言
第1章 Si基GaN材料与芯片的研究意义 1
1.1 半导体材料的分类 1
1.2 GaN的结构与性质 4
1.3 GaN制备的难点 7
1.4 Si基GaN材料与芯片 9
参考文献 12
第2章 Si基GaN材料的外延生长 15
2.1 Si基GaN薄膜的外延生长 15
2.1.1 Si基GaN外延薄膜生长的科学技术难题 15
2.1.2 GaN薄膜生长的基本模型.18
2.1.3 横向外延过生长 20
2.1.4 插入层技术 22
2.1.5 低温生长技术 27
2.1.6 应力补偿技术 30
2.2 零维GaN量子点的生长技术 34
2.2.1 Si基GaN量子点的优势及生长难点 34
2.2.2 缓冲层生长技术 37
2.2.3 自组织生长技术 40
2.2.4 选区生长技术 44
2.3 一维GaN纳米线的生长技术 48
2.3.1 一维GaN纳米线的优势及生长难点 48
2.3.2 催化剂辅助生长技术 51
2.3.3 掩模法选区生长技术 52
2.3.4 自组装生长技术 54
2.4 二维GaN的生长技术 59
2.4.1 二维GaN的优势及生长难点 59
2.4.2 石墨烯封装的迁移增强技术 60
2.4.3 模板技术 64
2.4.4 表面限域生长技术 65
参考文献 67
第3章 Si基GaN LED材料与芯片 75
3.1 引言 75
3.2GaNLED芯片工作原理 75
3.3 Si基GaN LED材料的发展意义 77
3.3.1 Si基GaN LED的优势 77
3.3.2 Si基GaN LED面临的瓶颈 78
3.4 Si基GaN LED材料的生长与优化 78
3.4.1 V形坑调控技术 78
3.4.2 超晶格应力释放层 80
3.4.3 InGaN/GaN多量子阱的优化 81
3.4.4 电子阻挡层 83
3.4.5 p 型GaN的设计 85
3.5 Si基大功率GaN LED芯片的制备工艺 86
3.5.1 各类结构性能对比 86
3.5.2 Si基GaN LED芯片的工艺流程 87
3.5.3 分割线电极技术 88
3.5.4 三维通孔电极技术 89
3.5.5 电流阻挡层 91
3.5.6 镜面结构 92
3.5.7 金属键合 94
3.5.8 激光剥离技术 95
3.5.9 表面粗化 97
3.6 Si基GaN LED芯片的应用及发展趋势 98
3.6.1 照明及其发展趋势 98
3.6.2 micro/mini-LED及全彩显示 98
3.6.3 Si基紫外LED 99
3.6.4 可见光通信应用及其发展趋势 101
参考文献 104
第4章 Si基GaN高电子迁移率晶体管 107
4.1 引言 107
4.2GaNHEMT芯片的工作原理及制备工艺 108
4.2.1GaN异质结及其极化效应 108
4.2.2GaNHEMT芯片的工作原理 110
4.2.3GaNHEMT芯片的基本工艺技术 111
4.3GaNHEMT芯片分类及应用 114
4.3.1 耗尽型GaN HEMT芯片 115
4.3.2 增强型GaN HEMT芯片 116
4.3.3GaNHEMT芯片的性能参数 119
4.4 Si基GaN HEMT芯片性能提升技术 122
4.4.1 Si基GaN HEMT芯片性能提升面临的难点 122
4.4.2 异质外延结构调控技术 123
4.4.3 Si基GaN HEMT芯片关键技术 136
4.5 Si基GaN HEMT芯片应用及发展趋势 142
4.5.1 电力电子应用及其发展趋势 142
4.5.2 射频应用及其发展趋势 144
参考文献 146
第5章 Si基GaN肖特基二极管 148
5.1 引言 148
5.2 Si基GaN SBD的原理及性能参数 149
5.2.1 工作原理 149
5.2.2 性能参数 158
5.3 Si基GaN SBD芯片性能调控 161
5.3.1 Si基GaN SBD芯片的优势及面临的瓶颈 161
5.3.2 Si基GaN SBD芯片结构设计 165
5.3.3 Si基GaN SBD关键工艺 178
5.4 Si基GaN SBD的应用及发展趋势 184
5.4.1 电源管理 185
5.4.2 射频前端 186
5.4.3 发展趋势 187
参考文献 188
第6章 Si基GaN光电探测芯片 191
6.1 引言 191
6.2 Si基GaN光电探测芯片的工作原理及制备工艺 192
6.2.1 Si基GaN光电探测芯片的工作原理 192
6.2.2 Si基GaN光电探测芯片的性能参数 195
6.2.3 Si基GaN光电探测芯片的制备工艺 199
6.3 Si基GaN光电探测芯片性能调控技术 201
6.3.1 Si基GaN光电探测芯片面临的瓶颈 201
6.3.2 局域表面等离激元共振技术 202
6.3.3 新型异质结技术 204
6.3.4 低维纳米材料技术 210
6.4 Si基GaN光电探测芯片的应用 215
6.4.1 光通信 216
6.4.2 光学成像 218
参考文献 219
第7章 Si基GaN光电解水芯片 222
7.1 引言 222
7.2 Si基GaN光电解水芯片的工作原理与结构参数 223
7.2.1 光电解水芯片的工作原理 223
7.2.2 Si基GaN光电解水芯片的结构 225
7.2.3 Si基GaN光电解水芯片的性能参数 226
7.3 Si基GaN光电解水芯片

第1章Si基GaN材料与芯片的研究意义
　　半导体技术，作为现代工业的核心支柱，是人工智能、信息通信、智能制造、国防装备及嵌入式系统等现代化产业的基石，在全球科技竞逐中占据着举足轻重的地位。掌握领先的半导体技术，意味着在全球产业链中占据战略髙地，享有更多话语权与利益分配权。在当前大国博弈加剧、贸易环境复杂多变的背景下，中国加速半导体技术的发展具有双重战略意义：其一，它是破解关键技术受制于人的“卡脖子”困局的关键，有助于突破美国等西方国家封锁，减少外部依赖，增强国家安全；其二，它是提升中国国际竞争力的必由之路，通过科技创新驱动，半导体技术的飞跃将引领整个科技产业实现高质量发展，为中国在全球科技版图中赢得一席之地。
　　对于中国自身而言，半导体领域的突破是实现高质量发展的迫切需求。在全面建设社会主义现代化国家的征程中，高质量发展已成为*要任务，要求我们必须摆脱传统经济增长方式，依靠科技创新驱动生产力的深刻变革。半导体技术作为新质生产力的代表，其研发与应用不仅局限于芯片制造，更广泛渗透于高端设备制造与智能化生产流程，是推动产业升级、提升产品技术含量与市场竞争力的重要引擎。因此，大力发展半导体技术，不仅是攻克“卡脖子”难题的必由之路，更是推动中国经济社会高质量发展的核心动力，为中国走向世界科技强国奠定坚实基础。 1.1半导体材料的分类
　　半导体材料作为半导体技术的基础，是一类在导电性能上介于导体和绝缘体之间的材料。导体、半导体和绝缘体材料的本质区别在于它们的能带结构与电子填充能带的情况不同，图l.i给出了它们的典型能带结构，其中条纹状图案表示电子填充能带的情况。电子导电的原理是其在外电场的作用下，能量状态和分布情况发生改变。以金属为例，导体被电子填充的*高能带通常是半满带，在外电场作用下，半满带中的电子能量状态与分布情况均发生改变，参与导电，使得导体具有良好的导电性。与之相对的，在绝对零度时，半导体和绝缘体被电子填充的*髙能带是满带，其中的电子不参与导电。当外界条件（如温度、光照等）发生变化时，原本位于满带的部分电子能够吸收足够的能量，从而发生跃迁，进入空带中，此时满带中剩余的大量电子和跃迁到空带中的电子都参与导电。因此，半
　　导体在常温条件下便展现出一定的导电性能。相较之下，绝缘体由于其满带到空带的距离（禁带宽度，Es）相对较大丨一般情况下，认为的材料为绝缘体），电子难以获得足够能量实现跃迁，故绝缘体在常温下导电性能极弱。基于上述半导体的能带结构特性，其导电性能可以通过掺杂、温度、光照等外部条件进行调控，因而广泛应用于各种电子元器件当中。
　　根据化学组成，半导体可以分为元素半导体和化合物半导体。
　　元素半导体是指由单一化学元素组成的半导体材料。作为半导体技术的先驱，其起源可追溯至对化学元素周期律的深入探索。目前共发现有12种元素具有半导体性质，包括桂（Si），锗（Ge）、硼（B）、碲（Te）、碘（I）、碳（C）、磷（P）、砷（As）、硫（S）、硒（Se）、锑（Sb）、锡（Sn）。*为典型的元素半导体是Si和Ge。这两种元素位于元素周期表的金属与非金属交界区域，具有*特的物理和化学性质，这使得它们成为半导体材料的基础。Si是目前应用*广泛的半导体材料，它的电子结构使其能够容易地通过掺杂（如掺入P或B）来控制其导电性，实现从绝缘体到导体的转变。Si基半导体器件，如晶体管、集成电路等，是现代电子工业的基石。虽然Ge具有与Si相近的核外电子排布，但由于其性能不如硅稳定，且成本较高，所以在现代电子工业中的应用逐渐减少。然而，在某些特定的应用领域，Ge仍然具有较高的价值。尽管众多元素展现出不俗的导电潜能，但多数元素在稳定性或加工可行性上存在显著短板，这极大地限制了半导体候选元素的范围。以As、Sb、Sn为例，它们虽具备半导体特性，却因状态不稳定（即在金属态与半导体态间变动）而在实际应用中受到局限。同样，B、C、Te等元素则由于内在性质或制备工艺的复杂性，利用率相对较低。值得注意的是，尽管面临挑战，但某些元素半导体如超纯Te单晶W，仍作为新兴半导体材料展现出*特价值。
　　化合物半导体是由两种或两种以上元素通过化学键结合而成的。在化合物半导体中，*为基础且研究得*为深入的是由两种元素组成的二元化合物半导体。常见的二元化合物半导体包括1V-1V族化合物，如碳化硅（SiC）；H-V族化合物，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等；I-VI族化合物，如氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等；IV-VI族化合物，如硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）等。这些材料具有众多优异的物理性能，在高频、高速、大功率电子器件以及光电子器件中具有重要应用。例如，GaAs具有高载流子迁移率，是制造功率放大器及高效太阳电池的理想材料SiC具有良好的耐高温特性，可以应用于Si器件难以工作的高温环境中。由三种及三种