《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》以作者多年的研究成果为基础，系统地介绍了Ⅲ族氮化物宽禁带半导体材料与电子器件的物理特性和实现方法，重点介绍了半导体高电子迁移率晶体管（HEMT）与相关氮化物材料。全书共14章，内容包括：氮化物材料的基本性质、异质外延方法和机理，HEMT材料的电学性质，AlGaN/GaN和InAlN/GaN异质结的生长和优化、材料缺陷分析，GaNHEMT器件的原理和优化、制备工艺和性能、电热退化分析，GaN增强型HEMT器件和集成电路，GaNMOS-HEMT器件，最后给出了该领域未来技术发展的几个重要方向。
《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》可供微电子、半导体器件和材料领域的研究生与科研人员阅读参考。

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郝跃和张金风等编著的《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》在第一章引言介绍了Ⅲ族氮化物电子材料的应用领域、GaN微波功率高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的研究进展以及本书的内容组织，随后的内容可分为材料和器件两大部分。在氮化物电子材料部分（第二章到第八章）介绍了氮化物基本材料性质、异质外延方法和机理、HEMT异质结材料电学性质的分析、AlGaN/GaN和InAlN/GaN异质结生长和结构优化、材料缺陷分析等内容，在氮化物电子器件部分（第九到第十三章）介绍了GaNHEMT器件原理及优化、器件工艺和性能、器件的电热退化研究以及增强型GaNHEMT和GaN金属-氧化物-半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT）器件研究等内容。

目录
《半导体科学与技术丛书》出版说明
序言
第1章 绪论 1
参考文献 4
第2章 III族氮化物半导体材料的性质 6
2.1 III族氮化物的晶体结构和能带结构 6
2.1.1 GaN、AlN和InN 6
2.1.2 氮化物合金材料的晶格常数和禁带宽度 9
2.1.3 异质结界面的能带带阶 10
2.2 氮化物的电子速场关系和低场迁移率 10
2.2.1 GaN的电子速场关系 10
2.2.2 GaN和AlGaN的电子低场迁移率和速场关系解析模型 11
2.3 氮化物材料的极化效应 15
2.3.1 极性 15
2.3.2 自发极化和压电极化效应 16
2.3.3 氮化物合金材料的压电和自发极化强度 17
2.3.4 削弱极化效应的机制 19
2.3.5 极性材料和非极性/半极性材料 20
2.4 氮化物电子材料的掺杂和其他性质 21
2.5 氮化物材料性质测试分析 22
2.5.1 高分辨X射线衍射(HRXRD) 22
2.5.2 原子力显微镜(AFM) 26
2.5.3 扫描电子显微镜(SEM) 28
2.5.4 透射电子显微镜(TEM) 28
2.5.5 光致发光谱(PL谱) 29
2.5.6 电容 电压测试(C-V) 31
2.5.7 范德堡法霍尔测试 32
2.5.8 霍尔条测试SdH振荡分析二维电子气输运性质 33
参考文献 35
第3章 氮化物材料的异质外延生长和缺陷性质 39
3.1 氮化物材料的外延生长技术 39
3.2 外延生长基本模式和外延衬底的选择 42
3.2.1 外延生长的基本模式 43
3.2.2 外延衬底的选择 44
3.3 MOCVD生长氮化物材料的两步生长法 46
3.3.1 两步生长法的步骤 46
3.3.2 蓝宝石上两步法生长GaN的生长模式演化 48
3.4 氮化物材料外延的成核层优化 49
3.4.1 低温GaN成核层 49
3.4.2 高温AlN成核层 50
3.4.3 间歇供氨生长的高温AlN成核层 52
3.5 氮化物材料外延层生长条件对材料质量的影响 53
3.6 氮化物单晶薄膜材料的缺陷微结构 57
3.6.1 衬底与成核层界面的微结构——失配位错 57
3.6.2 成核层内的微结构——堆垛层错、局部立方相和反向边界 58
3.6.3 高温GaN层的微结构——小角晶界、穿透位错和点缺陷 61
3.6.4 裂纹和沉淀物 63
参考文献 64
第4章 GaNHEMT材料的电学性质与机理 66
4.1 GaN异质结中的二维电子气 66
4.1.1 GaN异质结二维电子气的形成机理 66
4.1.2 GaN异质结二维电子气的面电子密度 68
4.2 GaN异质结中导带和载流子分布的一维量子效应自洽解 70
4.2.1 一维薛定谔-泊松方程量子效应自洽解物理模型 71
4.2.2 一维薛定谔-泊松方程自洽解模型的数值算法 72
4.2.3 一维量子效应自洽解在GaN异质结中的应用 74
4.3 GaN异质结二维电子气低场迁移率的解析建模分析 77
4.3.1 GaN异质结二维电子气低场迁移率的解析建模 77
4.3.2 AlGaN/GaN异质结Al组分对迁移率的影响 80
4.3.3 晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料二维电子气输运特性 83
参考文献 86
第5章 AlGaN/GaN异质结材料的生长与优化方法 88
5.1 AlGaN/GaN异质结材料结构 88
5.2 低缺陷密度氮化物材料生长方法 90
5.3 斜切衬底生长低缺陷GaN缓冲层 94
5.4 GaN的同质外延 96
5.4.1 斜切衬底上HVPE生长GaN 97
5.4.2 HVPEGaN模板上MOCVD外延GaN 98
5.5 高阻GaN外延方法 102
5.5.1 缓冲层漏电的表征方法 102
5.5.2 位错对衬底O扩散的影响 103
5.5.3 掩埋电荷层抑制方案 105
5.5.4 GaN缓冲层背景n型掺杂的抑制 106
5.6 AlGaN势垒层的优化 107
5.6.1 AlGaN势垒层Al组分和厚度对材料2DEG性质的影响 107
5.6.2 AlN界面插入层的作用 109
5.6.3 帽层对异质结材料性质的影响 112
参考文献 115
第6章 AlGaN/GaN多异质结材料与电子器件 117
6.1 Al(Ga，In)N/InGaN/GaN材料 117
6.2 GaN沟道下引入AlGaN背势垒 119
6.3 InGaN背势垒结构 123
6.4 双/多沟道AlGaN/GaN异质结 124
参考文献 128
第7章 脉冲MOCVD方法生长InAlN/GaN异质结材料 129
7.1 近晶格匹配InAlN/GaN材料的优势及其HEMT特性 129
7.2 近晶格匹配InAlN/GaN材料的生长、缺陷和电学性质 131
7.2.1 近晶格匹配InAlN/GaN材料的生长和缺陷 131
7.2.2 近晶格匹配InAlN/GaN材料的电学性质 133
7.3 表面反应增强的脉冲MOCVD(PMOCVD)方法 135
7.4 PMOCVD方法生长InAlN/GaN异质结 136
7.4.1 外延生长压强对InAlN/GaN的性能影响 138
7.4.2 In源脉冲时间对InAlN/GaN的性能影响 139
7.4.3 外延生长温度对InAlN/GaN的性能影响 140
7.5 PMOCVD方法生长InAlN/GaN双沟道材料 142
参考文献 146
第8章 III族氮化物电子材料的缺陷和物性分析 148
8.1 腐蚀法分析GaN位错类型和密度 148
8.1.1 腐蚀坑形状与位错类型的对应关系 148
8.1.2 湿法腐蚀准确估计不同类型位错的密度 150
8.1.3 腐蚀法分析GaN的其他类型缺陷——反向边界和小角晶界 152
8.2 不同极性面材料的腐蚀形貌和成因 153
8.2.1 N面材料的腐蚀特性 153
8.2.2 非极性a面GaN的选择性腐蚀 155
8.3 斜切衬底降低位错密度的机理分析 158
8.3.1 斜切衬底上GaN的位错类型和位错扎堆现象 158
8.3.2 斜切衬底上GaN中位错的集中湮灭 159
8.4 极性对杂质结合和黄带的影响 161
8.4.1 与极性有关的杂质结合模型 161
8.4.2 杂质结合对黄带的影响 163
8.5 GaN中黄带的深受主来源 164
8.5.1 GaN中黄带与C杂质的相关性分析 164
8.5.2 对Ga空位引起黄带发光的否定性讨论 168
参考文献 169
第9章 GaNHEMT器件的原理和优化 171
9.1 GaNHEMT器件的工作原理 171
9.2 GaNHEMT器件的性能参数 173
9.2.1 直流性能参数 173
9.2.2 交流小信号跨导 174
9.2.3 截止频率fT和最高振荡频率fmax 175
9.2.4 功率性能参数 177
9.3 GaNHEMT器件性能的优化措施 178
9.4 提高器件击穿电压的场板结构仿真和实现 181
9.4.1 场板HEMT器件的仿真优化 181
9.4.2 场板HEMT器件的实现 183
9.4.3 浮空场板结构的提出、优化和实现 184
参考文献 188
第10章 GaNHEMT器件的制备工艺和性能 189
10.1 表面清洗、光刻和金属剥离 189
10.1.1 表面清洗 189
10.1.2 光刻与金属剥离 189
10.2 器件隔离工艺 190
10.2.1 器件隔离方法 190
10.2.2 常见GaN干法刻蚀方法 191
10.2.3 等离子体刻蚀的机理和评估 192
10.3 肖特基金属半导体接触 193
10.3.1 肖特基结特性参数的提取方法 194
10.3.2 GaN和AlGaN/GaN异质结上肖特基结的特性评估 195
10.3.3 不同溶液预处理对肖特基结特性的影响分析 197
10.4 欧姆接触 197
10.4.1 GaN与AlGaN/GaN的欧姆接触的设计原则 198
10.4.2 欧姆接触性能的测试方法——传输线模型 199
10.4.3 欧姆接触性能的优化 200
10.5 半导体器件的表面钝化 202
10.6 器件互连线电镀和空气桥 204
10.6.1 电镀 204
10.6.2 空气桥 204
10.7 GaNHEMT器件的工艺流程 206
10.8 GaNHEMT器件的性能与分析 208
10.8.1 器件的直流性能 208
10.8.2 器件的小信号特性 209
10.8.3 器件的微波功率性能 209
参考文献 210
第11章 GaNHEMT器件的电热退化与可靠性 212
11.1 GaNHEMT器件的电流崩塌 212
11.2 GaNHEMT器件电退化的3种机理模型 214
11.2.1 热电子注入 214
11.2.2 栅极电子注入 214
11.2.3 逆压电效应 214
11.3 GaNHEMT的电应力退化(一) 216
11.3.1 沟道热电子注入应力 216
11.3.2 栅极电子注入应力 217
11.3.3 VDS为零的栅压阶梯式应力 218
11.4 GaNHEMT的电应力退化(二) 219
11.4.1 源漏高压开态应力 219
11.4.2 栅漏高压应力——关态和开态 221
11.4.3 脉冲应力 223
11.4.4 改善HEMT器件电应力退化效应的措施 224
11.5 GaNHEMT的变温特性 225
11.5.1 温度对肖特基接触性能的影响 226
11.5.2 温度对欧姆接触性能和材料方块电阻的影响 226
11.5.3 温度对AlGaN/GaNHEMT器件特性的影响 227
11.6 GaNHEMT的高温存储特性 229
参考文献 233
第12章 GaN增强型HEMT器件和集成电路 235
12.1 GaN增强型HEMT器件 235
12.2 氟等离子体注入增强型器件的工艺与特性 240
12.2.1 增强型器件的结构和工艺 240
12.2.2 增强型器件的直流、击穿和小信号性能 240
12.2.3 氟等离子体注入器件的栅漏二极管分析 241
12.3 氟等离子体注入E-HEMT的可靠性评估 244
12.3.1 氟等离子体注入E-HEMT在电应力下的特性退化分析 244
12.3.2 氟等离子体注入E-HEMT在高温下的特性退化分析 247
12.4 氟等离子体注入E-HEMT器件的结构优化 249
12.4.1 薄势垒层常规HEMT器件 249
12.4.2 薄势垒层氟等离子体注入增强型器件 251
12.5 增强/耗尽型GaN数字集成电路 252
12.5.1 增强/耗尽型数字集成电路单元设计 252
12.5.2 数字集成电路单元的版图设计和工艺实现 253
12.5.3 数字集成电路单元的测试和抗辐照特性分析 254
参考文献 258
第13章 GaNMOS-HEMT器件 261
13.1 GaN MIS-HEMT器件的研究进展 261
13.2 高K栅介质材料的选择和原子层淀积 263
13.2.1 高K栅介质材料的选择 263
13.2.2 原子层淀积工艺 265
13.3 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的基本特性和界面态密度 266
13.3.1 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的载流子浓度分布计算 266
13.3.2 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的C-V滞后特性 267
13.3.3 高K栅介质AlGaN/GaN MOS电容的变频C-V特性 268
13.4 HfO2/Al2O3高K堆层栅介质AlGaN/GaN MOS-HEMT器件 270
13.4.1 原子层淀积HfO2/Al2O3高K堆层栅介质的设计 270
13.4.2 HfO2/Al2O3堆层栅介质MOS-HEMT的直流特性 271
13.4.3 HfO2/Al2O3堆层栅介质的钝化特性 272
13.4.4 HfO2/Al2O3堆层栅介质MOS-HEMT的频率特性 272
13.5 AlGaN/AlN/GaN凹栅MOS-HEMT器件 273
13.5.1 凹栅刻蚀深度对原子层淀积Al2O3栅介质MOS-HEMT器件性能的影响 274
13.5.2 等离子体处理对凹栅MOS-HEMT器件性能的影响 278
13.5.3 高性能AlGaN/AlN/GaN凹栅MOS-HEMT器件 278
13.6 薄势垒层增强型MIS-HEMT 283
参考文献 284
第14章 氮化物半导体材料和电子器件的发展 288
14.1 N极性面氮化物材料与器件 288
14.2 超宽禁带氮化物半导体材料和电子器件 289
14.3 氮化物半导体电力电子器件 292
14.4 氮化物太赫兹电子器件 293
14.5 硅基氮化物材料和器件 294
参考文献 296
附录 缩略语表 300
《半导体科学与技术丛书》已出版书目 304

第1 章　绪　　论

半导体科技是二十世纪最重要和最有影响的高新科技之一，其重要性和影响力

一直延伸到了二十一世纪。半导体科技之所以如此重要，是因为它支撑了整个人类

信息社会的发展和进步，同时改变了人类社会的生产、生活、交往和思维方式。半导

体材料一直在半导体科技的发展过程中发挥着重要的作用。1947 年，世界上第一只

晶体管被发明，它采用半导体锗（Ge）材料，在室温下的禁带宽度为0.66 eV ；1958 年

诞生的第一块集成电路实际上是一块混合型集成电路，真正意义上的第一块单片集

成电路是在1961 年诞生的，使用的依然是Ge 材料。到了1965 年，半导体硅（Si）材

料（室温禁带宽度为1.12 eV）超越Ge 材料成为半导体集成电路的主要材料。直到

今天，Si 材料仍然是微电子技术的主要半导体材料，无论集成电路还是太阳能电池，

绝大部分半导体产业以Si 材料作为支撑。我们通常称Si 和Ge 为第一代半导体，主

要是因为它们的发展历史较长。第二代半导体材料砷化镓（GaAs，室温禁带宽度为

1.42 eV）和磷化铟（InP，室温禁带宽度为1.35 eV）是二十世纪七十年代引入的，主要是

满足超高速、微波大功率器件和集成电路的需求。直到1997 年，InP 集成电路才实现

产品化。二十世纪末，第三代半导体（宽禁带半导体）如氮化镓（GaN，室温禁带宽度为

3.45 eV）和碳化硅（SiC，4H-SiC 室温禁带宽度为3.25 eV）开始有了重要发展。

第二代半导体材料GaAs 与Si 相比，除了禁带宽度增大外，其电子迁移率与电

子饱和速度分别是Si 的6 倍和2 倍（如表1.1 所示），因此其器件适合高频工作。

GaAs 场效应管器件还具有噪声低、效率高和线性度好的特点。但相比于第三代半

导体GaN 和SiC 来讲，GaAs 材料的热导率和击穿场强不高，因此其功率特性受到了

一定的限制。二十世纪八十年代初，GaAs 金属半导体场效应管（ MESFET）的最高

输出功率为1.4 W/mm @ 8 GHz［1］ 。虽然后来研究人员不断尝试各种方法以提高其性

能，但是提高功率密度仍然有限，目前最高功率密度仅达到1.57 W/mm @ 1.1 GHz［2］，

而且这是通过牺牲一定的工作频率而获得的。

二十世纪九十年代初，采用Si3 N4 作为绝缘栅的InP 金属绝缘体半导体场效应

管（ MISFET）获得了创纪录的功率密度1.8 W/mm @ 30 GHz［3］ 。然而，无法避免的

高密度界面态导致InP MISFET 器件的电流电压特性不够稳定，以至于很少投入

使用。此后成功研制的InP 高电子迁移率晶体管（ HEM T）器件获得了1.45 W/mm

@ 30 GHz 的微波功率密度，同时拥有出色的电流电压特性［4］ 。InP 器件的微波功

率特性之所以优于GaAs，主要在于InP 具有略高的击穿电场强度与电子饱和速度，

但是InP 器件在微波大功率应用方面仍然不够理想［5 ］ 。在工作频率达到100 GHz

或更高时，InP 材料的优点能得到很好发挥（如图1.1 所示），尤其在高速和低功耗模

图1.1 　几种典型半导体的应用领域

数混合集成电路方面具有很大优势。

为了满足无线通信、雷达等应用对高频

率、宽带宽、高效率、大功率器件的需要，从二

十世纪九十年代初开始，化合物半导体电子器

件的研究重心开始转向宽禁带半导体器件［6］ 。

一般将禁带宽度大于2 eV 的半导体称为宽禁

带半导体。如表1.1 所示，Baliga 优值是表征

半导体材料高频大功率应用潜力的常用指

标［7］，可见由于宽禁带半导体GaN 和SiC 等

材料具有优越的材料特性，如大的禁带宽度、

高击穿场强、高电子饱和速度等，十分适合微波/毫米波大功率器件的应用。

研究表明，SiC MESFET 微波功率器件的截止频率f T 和最高振荡频率fmax 都在

20 GHz 范围以内，所以SiC MESFET 器件适合在7 GHz 以下的频率范围内使用。

在包括氮化镓（GaN） 、氮化铝（AlN） 、氮化铟（InN）及其合金材料的III 族氮化物半导

体材料中，除了禁带宽度较窄的InN（约0.7 eV），GaN 和AlN 都是宽禁带半导体。

GaN 电子器件主要以GaN 异质结构HEM T 为主，在AlGaN/GaN 、InAlN/GaN 等

氮化物异质结构界面形成的二维电子气（2DEG）具有很高的迁移率和极高的载流子

面密度，所以GaN HEM T 更适合于高频大功率应用。而且GaN HEM T 结构可以

在SiC 、金刚石等高热导率衬底上生长，从而具有极高的散热特性，同时也可以在价

格低、工艺成熟、直径大的Si 衬底上生长，具有低成本、高性能的优势。因此，GaN

HEM T 已经被认为是当前最理想的微波功率器件。

III 族氮化物材料除了在高频功率器件方面应用外，其禁带宽度范围可完全覆盖

整个可见光谱，在传统半导体所无法制备的短波长光电子器件方面也具有广泛的应

用。事实上，正是蓝光发光二极管（ LED）的研究最早推动了III 族氮化物半导体材

料制备技术的进展。就III 族氮化物半导体材料中技术水平最成熟的GaN 而言，其

晶体熔点高达2300 ℃，但其分解点在900 ℃ 左右，所以制备Si 材料的熔融方法并不

适合用来制备GaN 单晶。在体晶生长和异质外延薄膜两种制备方法中，薄膜异质外

延技术首先取得了突破。依靠金属有机物化学气相淀积（ MOCVD）和分子束外延

（ MBE）两种有效的材料生长方法可以获得高质量GaN 外延薄膜材料。在二十世纪

九十年代GaN 蓝光LED 技术迅速走向产业化时，GaN 电子器件也开始得到研究和

发展。

在III 族氮化物电子器件研究的早期，经过MESFET 和异质结场效应管

（ HFET）等各种器件结构的尝试，基于AlGaN/GaN 异质结构的HFET 迅速成为

GaN 电子器件的主流结构。由于氮化物材料具有很强的自发和压电极化效应，未掺

杂的AlGaN/GaN 、InAlN/GaN 等异质结中能形成高密度二维电子气，且二维电子

气具有显著高于体电子的迁移率，以至于GaN HFET 更常用的名称为GaN 高电子

迁移率晶体管（ HEM T） 。

二维电子气沟道的高导电特性结合GaN 材料的高耐压能力，使得GaN HEM T

成为微波功率器件研究中的热点。1993 年第一个GaN HEM T 器件诞生［8］，3 年后

GaN HEM T 首次得到了微波功率特性［ 9］，随后输出功率密度从最初的1.1 W/mm

@ 2 GHz 提高到了32.2 W/mm @ 4 GHz 和30.6 W/mm @ 8 GHz［10］，2006年又提高

到41.4 W/mm @ 4 GHz［11］ 。GaN HEM T 单个器件在栅宽达48 mm 时，实现了输

出总功率230 W @ 2 GHz［12］ 。

氮化物电子器件能够实现这样快速的进展，首先是由于AlGaN/GaN 异质结电

子材料的质量和HEM T 器件的工艺技术水平不断提高；其次，为了实现大的输出功

率，通常采用散热性能好的SiC 衬底，以及对器件表面淀积钝化介质膜，来抑制与材

料陷阱相关的电流崩塌现象，提高了器件的微波性能与可靠性。在异质结材料外延

技术和器件工艺技术发展的同时，GaN 异质结构也在不断发展进步，出现了诸如在

AlGaN/GaN 异质界面插入薄AlN 插入层、在AlGaN 表面附加GaN 帽层、在GaN

沟道下方引入AlGaN 或InGaN 背势垒层等新的变化，以及对HEM T 器件结构的优

化，如引入槽栅、场板结构等。这些材料与器件结构、工艺的进步都对GaN HEM T

器件性能的不断提高发挥了重要的推动作用。

除了输出功率密度和总功率，GaN HEMT 器件的工作频率、增益和功率附加效

率等指标也在逐步提高，2011 年已报道截止频率达到343 GHz［13］ 和W 波段输出功

率密度达到1.7 W/mm @ 95 GHz［ 14］ 。在此过程中，为了实现氮化物技术与Si 技术

的融合，Si 衬底上的GaN HEMT 也得到了快速的发展。GaN 基高速数字电路的需

求促进了GaN 增强型HEM T 和增强/耗尽型HEM T 电路单元的发展。减小栅极

漏电的要求促进了GaN 金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管（ MIS-HEM T）的

发展。利用与GaN 实现晶格匹配、二维电子气密度更高、势垒层厚度更薄的InAlN/

GaN 异质结构，近几年实现了高频性能更好的InAlN/GaN HEM T 和MIS-HEM T 。

2005 年，GaN HEM T 微波功率器件（以SiC 和Si 为衬底）出现了商业化产品。

不过产品的性能远没有发挥GaN HEM T 的潜力，也远低于同期实验室的研究水

平，这是因为GaN HEM T 器件在性能和可靠性提升方面仍有大量的问题尚未解

决。由于GaN HEM T 微波功率器件的研究在很大程度上借鉴了第二代半导体

GaAs 、InP 及其异质结在材料和器件物理以及制备工艺方面的研究经验，因此市场

需求的推动和相似技术提供的基础促进了氮化物材料和器件在技术层面迅速发展

并走向商业化，但大量基础性的科学问题研究并不深入，于是形成了一定程度上市

场需求超前于技术发展、技术超前于基础研究的局面。氮化物半导体电子器件领

域仍有若干基础科学问题尚未解决。相比于成熟的Si 和GaAs 器件，氮化物半导

体面临的主要难题包括：异质外延导致的氮化物材料缺陷密度高，强极化效应与表

面态的控制，高工作电压导致的器件漏电大、可靠性差等问题。在未来很长时间仍

然有很多问题需要深入研究。例如，基于不同衬底的氮化物材料外延生长方法、材

料缺陷行为及其表征、器件的材料层结构与优化、层结构的极化机理与极化应用

（极化工程），器件栅结构和增强型器件的实现等。

我国在氮化物半导体材料和电子器件方面的研究开始于二十世纪九十年代末

期，在近10 多年的不断努力下取得了明显的进步，在AlGaN/GaN HEMT 器件、

MIS -HEM T 器件、增强型HEM T 器件和晶格匹配InAlN/GaN 、HEM T 器件等方

面取得了大量研究成果。特别是近年来在国家科技重大专项的支持下，我国GaN

HEM T 微波功率器件和单片微波集成电路（ MMIC）的性能与可靠性获得了不断提

高：C 波段连续波60 W 的内匹配功率管研制成功，S 波段脉冲功率近百瓦的GaN 功

率管已开始进入工程应用阶段。随着基础研究和工程应用的深入，我国氮化物半导

体技术和产业的发展速度将进一步加快。

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第2 章　III 族氮化物半导体材料的性质

III 族氮化物半导体材料主要指AlN 、GaN 、InN 以及这3 种二元材料相互组成

的三元、四元合金（ AlGaN 、InGaN 、InAlN 、AlInGaN） 。由于III 族氮化物电子器件

的材料结构以异质结为主，所以本章主要介绍与异质结材料研究关系密切的晶体结

构、能带结构、电子输运、极化效应等性质，并介绍材料性质测试分析的部分手段和

方法。

2.1 　III 族氮化物的晶体结构和能带结构

2.1.1 　GaN 、AlN 和InN

氮化物半导体晶体材料存在六方纤维锌矿（简称纤锌矿，wurtzite）和立方闪锌

矿（zinc-blende）两种不同的晶体结构，以GaN 为例，如图2.1 所示［1］ 。

晶体结构的形成主要由晶体的离子性决定。在化合物半导体晶体中，原子间的

化学键既有共价键成分，也有离子键成分，离子键成分越多则晶体的离子性越强，越

容易形成纤锌矿结构。氮化物半导体晶体都是强离子性晶体，因此在室温和大气压

下，纤锌矿结构是氮化物半导体最常见结构，也是热力学稳态结构，而闪锌矿结构则

是亚稳态结构。纤锌矿GaN 属于六角密堆积结构，P63 mc 空间群，其密排面只有

（0001），每个晶胞有12 个原子，包括6 个Ga 原子和6 个N 原子，其面内和轴向的晶