宽禁带半导体材料与器件

课程编码：1800920805Z2P3002H 英文名称：Wide-Bandgap Semiconductor Materials and Devices 课时：50 学分：2.50 课程属性：专业课 主讲教师：王晓亮等

本课程为半导体和材料学科各专业硕士生和博士生的专业课，是进一步深入学习和理解半导体材料及应用等知识的重要专业基础课。主要授课对象是光电子、微电子和材料专业的学生，物理专业的学生也可以选学。第三代半导体是指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石、氧化锌（ZnO）为代表的一系列半导体材料，本课程内容包括第三代半导体材料的性质和制备技术；第三代半导体材料的各种光电器件、电力电子器件、射频微波器件、激光器和探测器件等半导体器件的研究状况；第三代半导体材料和器件在照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网及国防安全等领域的应用概况等。本课程让有志于从事半导体科技和产业的研究生了解第三代半导体技术及产业的全貌，有助于其后续研究工作的深入及交叉融合。通过介绍相关半导体材料和器件在生活生产的实际应用，加深学生对半导体材料和科技实用性的体会，激发启迪学生投身于半导体科技的热情和灵感。

固体物理、半导体物理、半导体器件物理

第一章 半导体材料：从第一代到第三代 3学时 王晓亮
第1节 半导体材料的特点及应用
第2节 半导体材料的发展历史和现状
第3节 半导体材料发展面临的挑战
第二章 氮化镓材料的性质及制备方法 6学时 王晓亮
第1节 氮化镓基材料的结构及基本性质
第2节 氮化镓基材料的极化效应
第3节 氮化镓基射频器件用材料结构及表征方法
第4节 氮化镓基电力电子器件用材料结构及表征方法
第5节 其它新结构氮化镓基电子材料
第6节 氮化镓材料生长研究及发展现状
第三章 基于氮化镓材料的光电子器件及产业化 6学时 王晓亮
第1节 氮化镓材料的光电子器件用外延材料结构
第2节 氮化镓基发光二极管结构及产业化
第3节 氮化镓基激光二极管结构及应用
第4节 氮化镓基探测器结构及应用
第5节 氮化镓基太阳能电池结构及应用
第四章 基于氮化镓材料的微电子器件及产业化 10学时 王晓亮
第1节 氮化镓基HEMT结构及工作原理
第2节 氮化镓基HEMT结构设计
第3节 氮化镓基HEMT制备工艺
第4节 氮化镓基HEMT器件特性及产业化
第5节 氮化镓基电力电子器件的结构及工作原理
第6节 氮化镓基电力电子器件设计
第7节 氮化镓基电力电子器件的制备、电学性能及产业化
第8节 新型氮化镓电力电子器件
第五章 碳化硅材料的性质和制备方法 3学时 冯春
第1节 碳化硅材料的结构和性质
第2节 碳化硅单晶材料的制备
第3节 碳化硅外延材料的制备
第六章 基于碳化硅材料的微电子器件及产业化 13学时 冯春
第1节 碳化硅 PN二极管
第2节 碳化硅双极型晶体管
第3节 碳化硅SBD器件
第4节 碳化硅JFET器件
第5节 碳化硅MOSFET器件
第6节 碳化硅IGBT器件
第七章 金刚石材料制备及应用 3学时 冯春
第1节 金刚石材料的结构及性质
第2节 金刚石材料研究进展及潜在应用
第八章 氧化锌材料制备及应用 3学时 冯春
第1节 氧化锌材料结构及性质
第2节 氧化锌材料制备方法
第3节 氧化锌器件及应用
第九章 其它新型宽禁带半导体材料及应用展望 3学时 冯春
第1节 氧化镓材料
第2节 氮化铝材料
第3节 氮化硼材料

首席教授王晓亮：中国科学院半导体研究所二级研究员、博士、博士生导师。从2016年开始作为首席教授在国科大承担本课程的前身课《宽禁带半导体电子器件》的授课工作、从2018年开始作为首席教授承担《半导体异质结材料及应用》的授课工作。
1995年起在国内率先开展了GaN基材料和器件的研究工作，在该领域一直起骨干、引领、示范和带动作用。主持国家重大科技专项、863重大项目、自然科学基金重大项目、973项目等多项国家重大课题的研究工作。在宽禁带GaN基半导体外延材料领域，通过自主创新，取得重大技术突破，形成了系统知识产权，取得了一批具有国内领先水平、国际先进水平的突出研究成果，一些成果达到国际领先水平。建成国产GaN基微电子外延材料技术平台，实现了批量供片。
用自主研制的GaN基微电子材料，先后合作研制出我国第一支GaN基HEMT器件、第一支GaN基X波段微波功率器件、第一块GaN基微波单片集成电路、连续波输出功率为132W和脉冲波输出功率为176W的X波段微波功率模块电路。深入开展了GaN电力电子器件以及SiC基电力电子器件的研发工作。
于2009年研制出我国首台GaN基材料的MOCVD工程化样机。2014年研制出一次可生长14片4英寸（或5片6英寸、3片8英寸）GaN基材料生长专用MOCVD设备，实现了大尺寸GaN基材料装备核心技术的自主研发与创新。
2006年获中科院先进个人荣誉称号，2009年和2017年两次获工信部科学技术进步一等奖，2012年获北京市科技进步二等奖，2012年被中国科协评为全国优秀科技工作者，2018年获国务院政府特殊津贴荣誉，2019年获国家科学技术进步一等奖。
在国内外主要学术刊物上发表研究论文近200篇；申请国家发明专利67项，获得授权46项；合作编著出版书籍《半导体微纳制造技术及器件》（科学出版社）；撰写《10000个科学难题》信息科学卷中的专题篇“固态微波器件”（p328-331，科学出版社）；撰写《第三代半导体材料与器件进展》（南京大学出版社）中的GaN微波器件（p185-214）、电力电子器件（p214-248）、InGaN太阳能（p324-351）部分。已培养并取得博士学位的研究生43名。
主讲教师冯春：中国科学院半导体研究所副研究员、博士、硕士生导师。从2018年开始在国科大承担本课程的前身课《宽禁带半导体电子器件》的授课工作。在半导体所参加工作以来，参与研制出高质量的蓝宝石衬底和碳化硅衬底上的GaN基外延材料，性能为国内领先水平、国际先进水平，其中二维电子气迁移率达到国际领先水平。研制出耐压大于2000V的GaN基功率器件和耐压大于600V的沟槽MOS结构Ga2O3基二极管。协助王晓亮研究员指导博士生开展SiC功率器件的设计和开发工作，完成了具有自主知识产权的新型非对称单侧倾斜P+结构的SiC MOSFET结构设计、研制出击穿电压1749V和击穿电压大于3300V的两款SiC MOSFET器件。作为主要起草人完成了国内第一个2英寸和3英寸GaN基外延材料的行业标准：核心电子器件专项标准《WB001型SiC衬底GaN外延片详细规范》（编号HX11004-2011），累计发表研究论文60余篇，申请国家发明专利30余项。