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  从整体薄势垒技术到局域势垒技术,用调制能带实现增强型的方法劣势越来越小而优势越来越明显。考虑到外延局域p型帽层与局域极化抵消层的思路带来的优势,能否利用别的方式获得能带的调制而规避材料外延时带来的成本上升,成为科研人员研究的热点。在2005年这一思路获得突破,香港科技大学的蔡勇和K.Chen等人开发出一种氟离子(F离子)注入技术,实现了较低低成本下局域调制能带以实现增强型器件的设想。
F离子注入技术示意图  
图1 F离子注入技术示意图
  F离子注入技术的结构、能带、电荷分布如图1所示,利用离子注入机或感应耦合等离子体机(ICP)等设备,通过对带有负电荷的F离子进行加速,使之注入异质结的栅极下方区域。在注入的一瞬间,为了满足器件整体电中性,注入区域下方沟道的2DEG即被耗尽,此时2DEG沟道连续性被破坏,增强型性能得以实现。从能带图可以观察到,F离子的注入提高了AlGaN层的导带,同时使GaN层的导带也受到影响而提高。这种技术的优势在于,相较于外延技术,F离子注入技术对局部能带的调制成本大大降低。而从电荷分布状态可以明显看出,F离子注入技术的缺陷也是显著的,即注入电荷的均匀性难以控制,制备的增强型器件阈值电压稳定性不高,且注入离子分布较难控制,诸多数量的F离子会穿越异质结界面进入GaN层,使栅下沟道品质下降,这导致了晶格损伤、载流子迁移率下降等负面后果。
介质F离子处理技术示意图  
图2 介质F离子处理技术示意图
  为了解决这个问题,2011年电子科技大学刘兴钊等人开发出一种介质F离子处理技术,使得F离子能够注入进介质中发挥作用形成增强型器件。其能带和电荷分布如图2所示。这种技术减少了F离子对异质结晶格的损伤,极大地提高了器件性能。但美中不足的是,这种技术使介质对F离子有较大地吸收作用,这降低了F离子对AlGaN与GaN层导带的抬升作用,因此所制备的增强型器件阈值电压仅在0V附近。
F离子埋层半凹栅技术示意图  
图3 F离子埋层半凹栅技术示意图
  为了既增强F离子注入对栅极下方2DEG的耗尽,又尽量减少F离子对异质结晶格的负面影响,近期本文作者所在课题组的周琦博士提出了一种F离子埋层半凹栅技术来实现增强型器件。这种技术主要利用能量吸收层对注入的F离子进行有效减速,使F离子能更“柔和地”进入介质,之后通过溶液漂洗祛除能量吸收层,实现F离子的能带调制作用。其能带、电荷分布与简单的流程如图3所示。本文作者以及同课题组的杨溢共同对这种技术做了初步探索。利用仿真软件对能量吸收层以及介质材料进行选择以及厚度优化,得到了如图4所示的较优配置。即当能量吸收层选为25nm厚的SiN晶体,介质层选为15nm厚的氧化铝晶体,凹栅剩余10nm的AlGaN时,注入结果较为理想。
F离子埋层半凹栅技术的注入工艺仿真优值  
图4 F离子埋层半凹栅技术的注入工艺仿真优值
  这种技术加强了F离子对栅极下方2DEG的耗尽作用,同时极大地降低了F离子对异质结晶格的损伤,并且通过对栅极进行凹槽刻蚀,降低了F离子与沟道的间隔,有可能实现高阈值电压的增强型器件,具有广泛的应用前景。

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