新一代功率半导体研发与应用精讲

在 5G 通信与新能源汽车产业加速迭代的当下，功率半导体作为核心基石，其技术突破与应用创新已成为全球科技竞争的焦点。《新一代功率半导体研发与应用精讲》正是应此时代需求而生的权威著作，汇聚日本筑波大学、大阪大学、三菱电机等 20 余所顶尖高校与企业的 30 余位专家智慧，构建起从材料研发到产业落地的完整知识体系。

本书以 SiC、GaN、金刚石、Ga?O?四大宽禁带半导体为核心，上篇深入解析单晶生长、缺陷控制、器件设计等底层技术，如 SiC 基平面位错调控、GaN 高耐压器件量产工艺，揭示新一代材料如何突破传统硅基器件的性能瓶颈；中篇聚焦封装与可靠性，从高精度仿真到寿命预测，系统阐述 WBG 器件在极端环境下的稳定运行方案；下篇直击产业痛点，通过电动汽车 SiC 逆变器、超高压医疗设备等 10 余个实战案例，展现技术如何转化为实实在在的能效提升与成本优化。

无论是电力电子领域的工程师寻求技术升级，还是高校研究者追踪前沿动态，抑或是企业决策者洞察产业趋势，本书都堪称一站式指南。它不仅呈现了日本在宽禁带半导体领域的技术积淀，更通过异质外延、高温器件等跨学科视角，为读者打开材料创新与系统集成的全新视野。在碳中和与智能制造的浪潮中，这本兼具理论深度与实践价值的专著，必将成为推动功率半导体技术落地的关键助力。

随着5G通信、新能源汽车（xEV）等前沿技术的蓬勃发展，对高效、高可靠性的功率半导体的需求日益增长，本书正是基于此而诞生的。本书分3篇，共有9章，内容包括SiC功率半导体、GaN功率半导体、金刚石功率半导体、Ga2O3（氧化镓）功率半导体、功率半导体与器件的封装技术、功率半导体与器件的评估、汽车领域新一代功率半导体的实用化、SiC功率器件在超高压设备中的应用、其他领域新一代功率半导体的实用化。
　　本书适合电力电子学界、广大的功率器件和装置生产企业的工程技术人员作为参考书之用。

目　 录
CONTENTS
　　　　　主编、参编一览
绪　论　　新一代功率半导体研发趋势
　　一、对新一代功率半导体的期望2
　　二、应对5G、xEV的需求扩大问题2
　　三、总结3
第一篇　　新一代功率半导体的开发
第一章　SiC功率半导体
第一节　??SiC单晶生长中晶体缺陷的产生机制及其控制方法
　　一、引言6
　　二、基于物理气相升华法的SiC块状单晶材料生长7
　　三、SiC块状单晶中存在的晶体缺陷9
　　四、SiC块状单晶生长中基平面位错的产生机理10
　　五、总结13
第二节　??排除氧化工艺的高质量SiC MOS界面形成
　　一、SiC MOSFET的现状与挑战15
　　二、理解具有不同晶面和受主密度的SiC MOSFET的
　　　　迁移率限制因?素16
　　三、基于氩气热处理的界面碳缺陷检测和减少20
　　四、排除氧化工艺形成高质量SiC MOS界面23
　　五、总结27
第三节　??SiC电学特性的空间分辨测量
　　一、引言29
　　二、载流子复合寿命测量技术29
　　三、高空间分辨率测量（破坏性测量）30
　　四、无损深度分析测量33
　　五、表面复合速度36
　　六、总结36
第四节　??SiC功率半导体器件中电阻主要影响因素分析
　　一、分析SiC MOSFET反型层迁移率的模型和方法37
　　二、SiC MOS反型层迁移率模型的构建42
　　三、总结48
第二章　GaN功率半导体
第一节　??GaN功率半导体开发的现状与实用化
　　一、引言51
　　二、GaN功率器件的优势52
　　三、GaN功率器件的发展趋势53
第二节　??酸性氨热法制备GaN单晶技术
　　一、引言60
　　二、基于氨热法的晶体生长61
　　三、晶体质量评估62
　　四、总结69
第三节　??基于DLTS法的GaN点缺陷评估技术
　　一、引言70
　　二、p-GaN的DLTS70
　　三、正向电流导通效应73
　　四、总结80
第四节　??高耐压GaN功率器件
　　一、引言81
　　二、PSJ器件84
　　三、PSJ器件的量产性91
　　四、总结93
第三章　金刚石功率半导体
第一节　??金刚石功率FET开发的现状和实用化可能性
　　一、金刚石作为p型半导体的优势95
　　二、逆变器电路的普及进展意外地缓慢，原因在于噪声96
　　三、将2DHG应用于沟道层的金刚石MOSFET100
　　四、总结与展望107
第二节　??金刚石异质外延晶体生长及其在金刚石FET中的应用
　　一、引言109
　　二、目前的异质外延金刚石生长研究109
　　三、蓝宝石衬底上的异质外延金刚石生长110
　　四、在倾斜蓝宝石衬底上使用台阶流模式的异质外延
　　　　金刚石生长114
　　五、异质外延金刚石上的金刚石FET制作117
　　六、总结118
第三节　??使用金刚石半导体的耐高温器件制造和性能提高
　　一、引言120
　　二、耐高温金刚石肖特基二极管的制造121
　　三、耐高温金刚石功率器件的制造123
　　四、耐高温金刚石晶体管的制造126
　　五、总结127
第四节　??通过NO2吸附和Al2O3钝化改善金刚石FET的热稳
　　　　??定性和大电流工作
　　一、引言129
　　二、通过NO2吸附和Al2O3钝化实现高密度二维空穴气的
　　　　热稳定化129
　　三、实现金刚石FET在高温环境下的稳定工作131
　　四、在多晶金刚石衬底上实现超过?1 A/mm的
　　　　大电流FET134
　　五、总结135
第四章　Ga2O3（氧化镓）功率半导体
第一节　??β型氧化镓功率器件开发
　　一、引言137
　　二、对功率器件应用至关重要的Ga2O3物性137
　　三、Ga2O3晶体管138
　　四、Ga2O3二极管142
　　五、Ga2O3器件实用化的挑战143
　　六、总结144
第二节　??β型氧化镓晶体的高纯度生长方法
　　一、引言146
　　二、β型氧化镓的卤化物气相生长146
　　三、β型氧化镓的三卤化物气相外延生长154
　　四、总结156
第三节　??β型氧化镓衬底晶体和外延膜的高质量化技术
　　一、β型氧化镓块状单晶衬底157
　　二、β型氧化镓的同质外延生长技术160
　　三、总结168
第四节　??利用MIST DRY(r)法研制α型氧化镓功率半导体
　　一、引言169
　　二、α型氧化镓（α-Ga2O3）的特点170
　　三、雾化CVD法172
　　四、α-Ga2O3功率半导体器件173
　　五、总结178
第五节　??雾化CVD法半导体制造设备
　　一、引言180
　　二、雾化CVD法的研发180
　　三、雾化CVD法的原理181
　　四、利用雾化CVD法生长Ga2O3的技术183
　　五、总结190
第二篇　　新一代功率半导体的封装技术和可靠性
第一章　功率半导体与器件的封装技术
第一节　??新一代功率半导体所需的封装技术
　　一、引言194
　　二、WBG功率半导体的接合195
　　三、展望205
第二节　??高精度功率半导体仿真技术
　　一、引言208
　　二、SiC-MOSFET模型的建模方法208
　　三、开关操作的验证211
　　四、设备模型的应用案例213
　　五、总结215
第二章　功率半导体与器件的评估
第一节　??用于功率半导体封装的接合材料特性评估方法
　　一、引言216
　　二、需要的特性216
　　三、接合材料的发展趋势217
　　四、接合部的特性评估方法218
　　五、总结226
第二节　??SiC功率半导体封装技术
　　一、引言228
　　二、WBG功率半导体的特性229
　　三、SiC功率半导体的封装技术229
　　四、总结238
第三节　??新一代功率半导体的封装材料和寿命预测仿真
　　一、引言239
　　二、传热-结构耦合仿真框架239
　　三、寿命预测式241
　　四、寿命预测仿真的评估案例242
　　五、密封树脂的特性参数和寿命预测的方差分析244
　　六、损伤参数预测公式ΔW与实验结果的比较验证245
　　七、总结246
第三篇　　新一代功率半导体的应用案例
第一章　汽车领域新一代功率半导体的实用化
第一节　??用SiC功率半导体开发电动汽车
　　一、引言250
　　二、用于降低成本的超低损耗SiC-MOSFET251
　　三、总结259
第二节　??电动飞机建模技术的最新趋势和新材料功率半导体在
　　　　??飞行汽车中的应用效果
　　一、引言261
　　二、飞行汽车的建模技术262
　　三、通过新材料功率半导体的应用提高电动飞机性能268
　　四、总结271
第二章　SiC功率器件在超高压设备中的应用
　　一、引言272
　　二、超高压开关模块272
　　三、超高压直流电源275
　　四、在医疗设备方面的应用278
　　五、总结279
第三章　其他领域新一代功率半导体的实用化
第一节　??应用于空调的功率半导体
　　一、白色家电的功率半导体281
　　二、RAC的节能规定281
　　三、RAC中功率半导体的主要用途282
　　四、RAC在实际运行中的节能措施287
　　五、逆变器电路290
　　六、白色家电的目前状况292
　　七、总结292
第二节　??SiC混合模块在电动列车中的应用