本書系統(tǒng)地討論了第三代半導(dǎo)體材料SiC和GaN的物理特性，以及功率應(yīng)用中不同類型的器件結(jié)構(gòu)，同時詳細(xì)地討論了SiC和GaN功率器件的設(shè)計、制造，以及智能功率集成中的技術(shù)細(xì)節(jié)。也討論了寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的柵極驅(qū)動設(shè)計，以及SiC和GaN功率器件的應(yīng)用。最后對寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。
1979年，我在通用電氣公司工作時推導(dǎo)出了單極型半導(dǎo)體功率器件的比導(dǎo)通電阻與半導(dǎo)體材料基本特性之間的理論關(guān)系。我的理論為功率器件提供了Baliga性能指數(shù)(BFOM)，可以用來預(yù)測用寬禁帶半導(dǎo)體取代硅所帶來的性能提升。當(dāng)時，在硅之后最成熟的半導(dǎo)體技術(shù)是砷化鎵(GaAs)，因為它應(yīng)用于紅外激光器和發(fā)光二極管。根據(jù)BFOM預(yù)測，用GaAs取代硅，單極型功率器件的比導(dǎo)通電阻會變?yōu)樵瓉淼?/13.6，而其應(yīng)用會擴展到更高的電壓和功率水平。通用電氣現(xiàn)有的GaAs器件制造基礎(chǔ)部門促使其管理層在20世紀(jì)80年代初指派了一個由10名科學(xué)家和技術(shù)人員組成的團(tuán)隊，在我的指導(dǎo)下工作，奠定了基于GaAs的功率器件技術(shù)。我負(fù)責(zé)組織的一項重點工作是開發(fā)采用較低摻雜水平的GaAs外延層來制造高壓器件，創(chuàng)建一個工藝平臺來制造高性能歐姆和肖特基接觸，并針對該材料設(shè)計新穎的器件結(jié)構(gòu)。這一努力最終在20世紀(jì)80年代的第一個寬禁帶半導(dǎo)體功率器件——肖特基整流器和垂直金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管上證實了我的理論預(yù)測。
根據(jù)我的公式預(yù)測，在20世紀(jì)80年代，利用已知的特性，用碳化硅(SiC)取代硅，電阻降低了200倍。到20世紀(jì)90年代初，SiC晶圓開始商業(yè)化，我領(lǐng)導(dǎo)的功率半導(dǎo)體研究中心在1992年首次演示了開發(fā)的高電壓肖特基二極管。1997年，我們使用現(xiàn)有的6H-SiC材料演示了開發(fā)的高性能SiC功率金屬－氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在我的指導(dǎo)下對SiC的碰撞電離系數(shù)進(jìn)行了測量，測量給出的SiC的BFOM數(shù)據(jù)增加到1000。這些突破帶動了美國、歐洲和日本在開發(fā)更好的材料和設(shè)備方面的重大投資。第一個商用SiC產(chǎn)品是21世紀(jì)初上市的高壓結(jié)勢壘肖特基(JBS)二極管。由于在眾多應(yīng)用中作為硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的反向并聯(lián)二極管，這些器件現(xiàn)在的市場規(guī)模已增長到超過2億美元。
經(jīng)過多年對4H-SiC和熱生長氧化層界面之間性能的改善，2011年向市場推出第一款SiC功率MOSFET是可行的。通過業(yè)界嚴(yán)格的測試，解決了應(yīng)用工程師最初對這些器件可靠性的擔(dān)憂。現(xiàn)在，這些器件在光伏逆變器和電源等應(yīng)用中得到了認(rèn)可。這種器件必須與成熟的硅功率器件IGBT和超結(jié)FET競爭。市場增長的主要障礙是SiC功率器件過高的成本。世界各地的研究人員都在努力降低SiC功率器件的成本，這預(yù)示著未來市場是有希望的。
通過使用過渡層來解決晶格的失配，在硅襯底上生長GaN層，GaN功率器件的發(fā)展走上了一條不同尋常的道路。這一突破使得GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)與高導(dǎo)電性的二維電子氣層成為可能。這些橫向器件提供了非常優(yōu)越的漂移區(qū)電阻。然而，制造常關(guān)器件一直是一個挑戰(zhàn)，即便是常開結(jié)構(gòu)仍然存在動態(tài)導(dǎo)通電阻問題。一些公司已經(jīng)采取了使用Baliga對或級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)常開的GaN HEMT產(chǎn)品的方法。其他研究人員則采用結(jié)構(gòu)改造來獲得正的閾值電壓。這些器件已被證明能夠使功率電路在幾MHz的開關(guān)頻率下工作，從而使非常緊湊的電子產(chǎn)品成為可能。在單個芯片上集成多個器件的能力也為制造功率芯片產(chǎn)品創(chuàng)造了機會。
出版這本關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體功率器件書籍的動機源自我在2015年在愛思唯爾出版的《IGBT器件——物理、設(shè)計與應(yīng)用》一書的成功，該書獲得了著名的PROSE獎，被評為當(dāng)年工程和技術(shù)領(lǐng)域的最佳書籍。這本IGBT書籍對IGBT在過去25年中在社會各方面的應(yīng)用及其社會影響進(jìn)行了廣泛論述。
對于這本關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的書，我想涵蓋從材料特性到器件結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用的整個領(lǐng)域。很高興聯(lián)系的所有撰寫本書的專家都熱情地接受了我的提議。不幸的是，由于涉及技術(shù)秘密的原因，一些作者未能兌現(xiàn)他們的承諾。盡管如此，本書的內(nèi)容對寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的最先進(jìn)研究水平進(jìn)行了全面討論，這對電力電子領(lǐng)域是非常有益的。
本書從引言第1章開始，提供了關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體材料的功率器件優(yōu)點的概述。在本章中描述了各種類型的功率器件結(jié)構(gòu)，以便讀者知曉在本書的其余部分會更深入討論的技術(shù)。
第2章，關(guān)于SiC材料的性質(zhì)，由京都大學(xué)的Kimoto教授撰寫，提供了SiC材料的基本特性的信息，這與功率器件的設(shè)計和分析有關(guān)。重點是4H-SiC多型，因為它在制造SiC功率器件方面占主導(dǎo)地位。討論包括影響少數(shù)載流子壽命的缺陷，因為它與雙極型SiC功率器件(如非常高電壓的IGBT)有關(guān)。
第3章，關(guān)于氮化鎵和相關(guān)Ⅲ-Ⅴ氮化物的物理特性，由倫斯勒理工學(xué)院的Bhat教授撰寫，提供了氮化鎵(GaN)材料的基本特性的信息。包括二維電子氣在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的電學(xué)特性，因為它對已經(jīng)商業(yè)化的橫向GaN HEMT器件非常重要。討論在硅襯底上的GaN層生長過程中產(chǎn)生的缺陷，因為它與這些器件的可靠性相關(guān)。
第4章，關(guān)于SiC功率器件的設(shè)計和制造，由筑波大學(xué)的Iwamuro教授撰寫，提供了SiC功率二極管和晶體管的全面討論。描述了SiC P-i-N二極管和JBS整流器的物理機制，并對它們在各種阻斷電壓下的性能進(jìn)行了量化。魯棒性邊緣終端的設(shè)計是最大化其性能的關(guān)鍵。對采用平面或溝槽柵極方法的SiC功率MOSFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的討論。這些器件良好的短路能力對于它們在應(yīng)用中的接受程度是至關(guān)重要的。本章還分析了開發(fā)超高電壓SiC IGBT的潛力。
第5章，關(guān)于GaN智能功率器件和集成電路，
譯者序
原書前言
第1章引言1
1.1硅功率器件1
1.2硅功率器件的應(yīng)用1
1.3碳化硅理想的比導(dǎo)通電阻3
1.4碳化硅功率整流器4
1.5硅功率MOSFET5
1.6碳化硅功率MOSFET7
1.7碳化硅功率結(jié)勢壘肖特基場效應(yīng)晶體管（JBSFET）8
1.8碳化硅功率MOSFET高頻性能的改進(jìn)9
1.9碳化硅雙向場效應(yīng)晶體管10
1.10碳化硅功率器件的應(yīng)用12
1.11氮化鎵功率器件13
1.12氮化鎵功率器件的應(yīng)用15
1.13小結(jié)15
參考文獻(xiàn)16
第2章碳化硅材料的特性18
2.1晶體和能帶結(jié)構(gòu)18
2.2電學(xué)特性21
2.2.1雜質(zhì)摻雜和載流子
密度21
2.2.2遷移率23
2.2.3漂移速度24
2.2.4碰撞電離系數(shù)和臨界
電場強度25
2.3其他物理特性27
2.4缺陷和載流子壽命28
2.4.1擴展缺陷28
2.4.2點缺陷31
2.4.3載流子壽命32
參考文獻(xiàn)34
第3章氮化鎵及相關(guān)Ⅲ-Ⅴ型
氮化物的物理特性37
3.1晶體結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性37
3.2極化電荷41
3.3用于氮化鎵外延生長的
襯底44
3.3.1藍(lán)寶石襯底44
3.3.2碳化硅襯底45
3.3.3硅襯底46
3.4禁帶結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性48
3.4.1載流子的有效質(zhì)量50
3.4.2有效態(tài)密度50
3.5傳輸特性51
3.5.1GaN/AlGaN結(jié)構(gòu)中的2D遷移率54
3.6碰撞電離系數(shù)55
3.7氮化鎵中的缺陷57
3.7.1本征點缺陷57
3.7.2其他缺陷58
3.7.3氮化鎵中的雜質(zhì)59
3.7.4Ⅱ族雜質(zhì)59
3.7.5Ⅳ族雜質(zhì)59
3.7.6Ⅵ族雜質(zhì)60
3.7.7深能級60
3.8小結(jié)61
參考文獻(xiàn)61
第4章碳化硅功率器件設(shè)計與制造67
4.1引言67
4.2碳化硅二極管69
4.2.1導(dǎo)言69
4.2.2低導(dǎo)通態(tài)損耗的SiC JBS器件設(shè)計71
4.2.3SiC JBS器件的邊緣終端74
4.2.4更高耐用性的SiC JBS器件設(shè)計76
4.2.5SiC JBS和Si IGBT混合型模塊77
4.2.6pin二極管78
4.2.7雙極退化82
4.2.8小結(jié)84
4.3SiC MOSFET85
4.3.1引言85
4.3.2器件結(jié)構(gòu)及其制造工藝87
4.3.3未來的SiC MOSFET結(jié)構(gòu)106
4.3.4小結(jié)112
4.4SiC IGBT113
4.4.1引言113
4.4.2器件結(jié)構(gòu)及其制造工藝114
4.4.3小結(jié)117
參考文獻(xiàn)117
第5章氮化鎵智能功率器件和集成電路127
5.1引言127
5.1.1材料特性127
5.1.2外延和摻雜128
5.1.3極化和2DEG130
5.1.4MOS131
5.1.5功率器件應(yīng)用133
5.2器件結(jié)構(gòu)和設(shè)計134
5.2.1橫向結(jié)構(gòu)134
5.2.2垂直結(jié)構(gòu)138
5.3器件的集成工藝139
5.3.1橫向集成工藝139
5.3.2垂直集成工藝140
5.4器件性能143
5.4.1靜態(tài)特性143
5.4.2動態(tài)開關(guān)153
5.4.3魯棒性159
5.4.4應(yīng)用中的器件選擇161
5.5商用器件示例162
5.5.1分立晶體管163
5.5.2混合晶體管163
5.5.3集成晶體管165
5.6單片集成165
5.6.1功率IC165
5.6.2光電IC167
5.7未來趨勢、可能性和挑戰(zhàn)169
致謝169
參考文獻(xiàn)169
第6章氮化鎵基氮化鎵功率器件設(shè)計和制造178
6.1引言178
6.2功率開關(guān)的要求179
6.2.1常關(guān)工作179
6.2.2高擊穿電壓180
6.2.3低導(dǎo)通電阻和高電流密度181
6.2.4高溫工作181
6.3襯底和外延層181
6.4氮化鎵襯底的可用性182
6.5垂直器件：電流孔徑垂直電子晶體管183
6.6氮化鎵垂直器件簡史184
6.7電流孔徑垂直電子晶體管及其關(guān)鍵組成部分的設(shè)計186
6.8孔徑中的摻雜(Nap)和孔徑長度(Lap)188
6.9漂移區(qū)厚度（tn-）189
6.10溝道厚度(tUID)和有效柵極長度（Lgo）192
6.10.1通過CBL193
6.10.2未調(diào)制的電子193
6.10.3通過柵極193
6.11電流阻斷層193
6.11.1關(guān)于摻雜與注入電流阻斷層的討論193
6.12溝槽電流孔徑垂直電子晶體管195
6.13金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管198
6.13.1基于非再生長金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管198
6.13.2基于再生長的金屬－氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（OGFET）199
6.13.3OGFET開關(guān)性能203
6.14氮化鎵高壓二極管205
6.15器件的邊緣終端、泄漏和有源區(qū)面積207
6.16小結(jié)208
致謝209
參考文獻(xiàn)209
拓展閱讀211
第7章寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的柵極驅(qū)動器212
7.1引言212
7.2低壓（LV）碳化硅器件的柵極驅(qū)動器（1200V和1700V SiC MOSFET和JFET）212
7.2.1引言212
7.2.2柵極驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)213
7.2.3LV SiC MOSFET的設(shè)計考慮213
7.2.4有源柵極驅(qū)動221
7.2.51200V/1700V器件的柵極驅(qū)動器評估225
7.2.61200V、100A SiC MOSFET的特性225
7.2.71700V SiC MOSFET的表征以及與1700V Si IGBT和1700V Si BIMOSFET的比較226
7.2.81200V、45A SiC JFET模塊的表征228
7.2.9商用柵極驅(qū)動器回顧229
7.3氮化鎵器件的柵極驅(qū)動器（最高650V）230
7.3.1GD規(guī)范和設(shè)計考慮、挑戰(zhàn)和實現(xiàn)230
7.3.2布局建議232
7.3.3氮化鎵四象限開關(guān)（FQS）的柵極驅(qū)動設(shè)計233
7.3.4商用柵極驅(qū)動器IC和趨勢234
7.4柵極驅(qū)動器的認(rèn)證235
7.4.1控制MOSFET開啟/關(guān)斷的柵極驅(qū)動器操作236
7.4.2柵極驅(qū)動器認(rèn)定的步驟237
7.4.3高壓開關(guān)的柵極驅(qū)動器短路測試239
7.4.4電流開關(guān)工作的GD表征和測試電路239
7.5HV SiC器件的柵極驅(qū)動器241
7.5.1GD規(guī)范和設(shè)計考慮241
7.5.2GD電源243
7.5.3智能柵極驅(qū)動器245
參考文獻(xiàn)255
第8章氮化鎵功率器件的應(yīng)用257
8.1硬開關(guān)與軟開關(guān)258
8.2雙向降壓/升壓變換器262
8.2.1CRM的耦合電感263
8.2.2雙向降壓/升壓變換器265
8.3采用PCB繞組耦合電感的高頻PFC266
8.3.1氮化鎵基MHz圖騰柱
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