本书整合了氮化镓领域的前沿研究成果与核心技术突破，既注重基础理论的系统性阐释，又强调学术前沿的前瞻性，同时穿插文献引用与数据对比。书中内容为氮化镓技术从性能突破向机理创新演进提供了全面支撑，助力推动其在光电子、电力电子、射频通信等领域的产业化应用。全书以“材料生长器件制备性能分析”为主线，构建了层层递进的学术逻辑体系。全书内容涵盖氮化镓单晶材料生长及外延，氮化镓二极管器件制备及特性，氮化镓三极管器件，氮化镓异质结探测器，氮化镓金刚石集成方法及特性，总结与展望。
本书适合氮化镓材料与器件研发人员、宽禁带半导体从业人员，以及微电子、半导体等相关专业的师生阅读参考。

目录
序
前言
第1章氮化镓单晶材料生长及外延1
11氮化镓材料概论1
111晶体结构与基本性质1
112材料优势与应用领域3
113发展挑战与核心瓶颈5
12氮化镓单晶生长工艺6
121气相法：高生长速率的体单晶制备技术6
122熔体法：高质量单晶的高温高压技术8
123金属有机化合物气相沉积法：薄膜外延的核心技术9
124一维氮化镓材料制备方法11
125小结12
13氮化镓同质外延技术：原理、挑战与应用12
131概述12
132同质氮化镓外延技术原理13
133同质氮化镓外延技术的挑战16
134同质氮化镓外延技术方法19
135同质氮化镓外延技术的应用领域23
136小结和展望26
14氮化镓掺杂方法27
141概述27
142非故意掺杂28
143氮化镓材料的n型与p型掺杂31
144半绝缘掺杂41
145掺杂对氮化镓非电学性能的影响43
参考文献46
第2章氮化镓二极管器件制备及特性50
21垂直氮化镓肖特基二极管51
211金属半导体接触理论52
212肖特基二极管基本理论55
213电场集中效应与边缘终端57
214垂直氮化镓肖特基二极管的制备流程60
215垂直氮化镓肖特基二极管的应用61
216垂直氮化镓肖特基二极管未来展望62
22垂直氮化镓PN二极管63
221氮化镓PN二极管材料特性63
222边缘终端技术65
223垂直氮化镓PN二极管的制备流程69
224垂直氮化镓PN二极管的应用71
23氮化镓异质结功率二极管72
231氧化镍与氮化镓器件73
232氧化镍/氮化镓异质结的研究现状74
233氧化亚铜/氮化镓异质结的研究现状77
234氧化锡/氮化镓异质结的研究现状79
24垂直氮化镓结势垒肖特基二极管81
241垂直结势垒肖特基二极管基本理论81
242结势垒肖特基二极管主要参数83
243氮化镓结势垒肖特基二极管85
244垂直氮化镓结势垒肖特基二极管87
参考文献89
第3章氮化镓三极管器件93
31平面型GaN HEMT功率器件93
311AlGaN/GaN极化效应与界面二维电子气的产生94
312耗尽型GaN HEMT工作原理97
313功率GaN HEMT的增强型技术99
314功率GaN HEMT的高耐压技术103
315功率GaN HEMT面临的可靠性问题107
316单片集成的功率GaN HEMT双向开关109
317基于GaN单晶衬底的GaNonGaN HEMT113
32垂直GaN三极管116
321沟槽型GaN MOSFET117
322垂直GaN FinFET126
323垂直GaN JFET128
324垂直GaN CAVET131
325氮化镓刻蚀技术133
326小结和展望141
参考文献142
第4章氮化镓异质结探测器148
41概述148
42氮化镓异质结种类与制备方法150
421传统氮化物基三维异质结150
422二维/三维异质结153
423异质结制备的核心技术157
424界面质量控制与缺陷抑制方法171
43氮化镓异质结光学与电学性能181
431光学性能表征182
432电学性能分析188
433光电耦合效应与能带调控194
44氮化镓异质结成像与通信应用197
441高灵敏度成像器件197
442高速光通信模块设计199
443多场景应用案例201
45本章总结与未来展望202
参考文献203
第5章氮化镓金刚石集成方法及特性208
51氮化镓基功率器件的自热效应209
511自热效应的产生机制209
512自热效应对器件性能的影响210
513传统散热方案的局限性212
514自热效应在未来先进技术设计中的重要性216
52氮化镓基异质集成的界面热阻220
521界面热阻的物理模型222
522电子声子耦合理论的影响224
523非晶层的抑制策略226
524实验测量技术227
53氮化镓金刚石热管理技术229
531单晶金刚石散热技术230
532多晶金刚石散热技术231
533嵌入式金刚石散热柱技术232
534金刚石钝化层技术233
535氮化镓金刚石热管理技术面临的共性问题235
54氮化镓金刚石异质集成技术236
541氮化镓金刚石键合技术238
542氮化镓金刚石外延生长技术246
55未来前景与挑战251
551超宽禁带半导体器件的扩展应用252
552规模化生产的成本与工艺挑战253
553新型界面工程与材料创新254
参考文献256
第6章总结与展望261
61氮化镓晶体生长技术261
611大尺寸晶圆制备的突破261
612晶体生长工艺的创新263
613材料质量与性能的提升263
614应用前景与未来发展方向264
62氮化镓器件265
621功能集成265
622设计革新266
623工艺创新267
624异质集成267
625应用拓展268
63氮化镓技术268
631氮化镓技术的发展趋势268
632氮化镓技术的当前进展270
633氮化镓技术的未来发展方向271
参考文献273

前言
当宽禁带半导体技术从实验室走向产业化，氮化镓（GaN）凭借其独特的晶体结构与卓越的物理化学性能，成为连接基础半导体物理与新一代电子器件应用的关键纽带。作为第三代半导体材料的核心代表，GaN的宽带隙、高击穿电场、高电子饱和速度等特性，不仅突破了传统硅基材料的性能极限，更催生了光电子、电力电子、射频通信等领域的技术变革——从推动快充设备微型化的功率二极管，到支撑5G基站高频通信的高电子迁移率晶体管（HEMT），GaN正以不可替代的优势，重塑半导体产业的技术格局。
对于高校半导体专业的师生，理解GaN材料的本质特性、掌握单晶生长与器件设计的核心原理，既是深入宽禁带半导体领域的基础，也是推动技术创新的前提。然而，GaN技术体系涵盖材料物理、晶体生长、外延工艺、器件工程等多个交叉学科，现有文献多分散于期刊论文、技术报告之中，缺乏一套系统整合“基础理论制备技术器件机理”的学术著作。正是基于这一需求，我们整合了近年来GaN领域的前沿研究成果与核心技术突破，编撰成《氮化镓单晶材料与器件》一书，期望为高校师生提供一部兼具理论深度与学术严谨性的专业参考书。
本书主要讲述了GaN半导体材料以及器件领域多年来的研究成果，系统、全面地阐述了GaN半导体材料及其电子器件的发展历程。全书以“材料生长器件制备性能分析”为主线，构建了层层递进的学术逻辑体系。本书首先对GaN单晶材料的基本概念进行详细介绍，包括其晶体结构、物理特性、制备方法以及性能特点等。接着，又深入浅出地阐述了GaN材料的物理性质和化学性质，如宽禁带宽度、高电子迁移率、高热导率等，为读者提供了全面而深入的理解。在材料特性的基础上，本书进一步探讨了GaN器件的设计原理和制造工艺，详细说明各种器件的结构、工作原理以及应用领域，如肖特基势垒二极管（SBD）、PN二极管、HEMT、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、GaN异质结探测器、GaN金刚石异质集成技术等。这些器件在现代电子技术中广泛应用，对提升电子信息设备的性能起着至关重要的作用。
作为一部学术专著，本书既注重基础理论系统且详细的阐释，帮助读者构建扎实的知识框架；也强调学术前沿的前瞻性，如二维材料/GaN异质结、垂直器件的动态稳定性、GaNon金刚石技术等最新研究，为青年学者提供选题方向；同时，书中穿插大量文献引用与数据对比，引导读者学习学术研究的论证方法，培养批判性思维。
当前，GaN技术正处于从“性能突破”向“机理创新”的关键阶段，许多难题仍有待学术界持续探索。我们期望本书不仅能成为高校半导体专业的教学参考书，更能激发师生对GaN领域核心科学问题的思考，推动基础研究与技术创新的深度融合。
最后，谨向所有在GaN研究领域贡献智慧与成果的科研同仁致以诚挚谢意，本书的编写离不开诸位前辈的学术积淀。我们亦衷心感谢直接参与本书各章节校对与研讨工作的各位师长和同仁，他们以深厚的专业素养和严谨的治学态度，为全书内容质量奠定了坚实基础。在本书的编写过程中，陈春燕、范康凯、贲建伟、蒋忠伟、黄子淏、张慧乐、范学、何俊、钟智祥、陈成灿、邹阳、贺威、王凯丰、刘河洲在具体内容的编排和组织上给出了宝贵的意见和建议，并进行细致的审校工作。此外，北京大学的周航教授、深圳职业技术大学的Gehan Amaratunga院士以及剑桥大学材料科学与冶金系的Yan Wang教授也对本书进行了校对审核。得益于他们细致的校对、深入的探讨以及宝贵的反馈，本书在内容的准确性与逻辑的严谨性方面得以进一步提升。值此成书之际，向他们表示最诚挚的谢意。
我们希望本书能够为读者提供启发，为宽禁带半导体这一蓬勃发展的学术领域拓展认知疆界，携手推动GaN技术迈向新的高度。当然，尽管反复推敲，但学海浩瀚无边、编者水平有限，书中难免有疏漏或不周之处，恳请广大读者不吝批评指正，以助我们今后不断完善。
编著者
2025年10月