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摘 要：文中针对当前通过在AlGaN层进行F-离子注入这种实现AlGaN/GaN增强型HEMT器件的重要方法，建立其数值模型。对该方法F-起到对导电沟道的调制机理进行了分析解释，对该方法的实现过程中的关键F-离子注入量、注入深度分布的对宏观器件特性的影响进行数值分析，得到了具有指导意义的结果。为今后该方面的器件特性进一步研究提供了理论指导。
关键词：F-注入；增强型HEMT；数值模拟
近几年来，AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其材料耐高温特性很强，抗腐蚀性更高。这些优越的性质使其很适合应用于高温、高压、大功率和抗辐射器件。而且在做成异质结材料中其界面的电子浓度以及电子迁移率都相当高，这又使其很适合应用于高电子迁移率晶体管(HEMT)。这些使得AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温器件及大功率微波器件方面拥有不可比拟的优势。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气(2DEG)，当材料制作成器件加负栅压后才能将2DEG耗尽而使沟道夹断，即常规 AlGaN/GaN HEMT 为耗尽型器件。但在数字电路、高压开关等领域应用时需要增强型器件。为此，近年来人们探寻了多种实现增强型GaN器件的方法。香港科技大学的Wang等人采用对栅区域注入F离子的方法实现了增强型器件；Lanford等人采用刻蚀掉AlGaN/GaN异质结的一部分AlGaN层制作槽栅结构，利用肖特基结对2DEG的耗尽作用来实现增强型器件; Liu等人采用AlInGaN/GaN异质结也实现了增强型器件(见图1)。这几种是目前最为重要的实现增强型GaN器件的方法，他们都各自具有不同的优势，分别拥有一定的应用价值，无法实现相互替代。本文就针对其中F-离子实现增强型器件的方法，从数值分析的角度对该方法进行理论计算，从原理上对其中F-对沟道电子进行调制以达到实现器件增强型特性的原理进行定性分析和定量计算。
1数值模型
因为氟离子的强负电性，在势垒层中存在的氟离子使得沟道中的2DEG在0V栅压下处于耗尽状态，对于器件而言在0V栅压下需要处于常关状态，也就是增强型器件。
大部分的氟离子处理后都停留在的AlGaN的势垒层中，我们认为其服从从表面到沟道处为一近似的高斯分布。与其他实验研究对经过氟离子处理的AIGaN/GaN异质结构进行了测试分析，测试结果与该分布基本一致，也就是说注入的氟离子只是在势垒层中对沟道电荷存在一定的调控作用，不会对器件开启之后最终达到的2DEG的浓度以及迁移率造成影响，这也是增强型GaN HEMT器件为人们所希望看到的 。
为了得到AlGaN/GaN器件异质结界面2DEG分布、能带分布以及宏观器件特性，我们采用在垂直异质结界面方向上自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法首先得到异质结界面2DEG分布、能带分布，然后利用理想栅电容的表达式Cg=?坠QT/?坠Vg，(这里QT代表整个沟道总电荷量，可以用全部沟道电子密度计算，Vg表示栅电压)，采用自洽数值模型解沟道电子密度随栅压变化，进而很容易得到栅电容以及C-V特性曲线。一维单电子薛定谔方程表达式如下
其中K是波尔兹曼常数，T为绝对温度，Ef为费米能级，Ei、ψi是第i个子带的电子能量和波函数。
2结果与讨论
2.1能带变化
我们首先选取了进行F-注入以及未进行注入的AlGaN/GaN异质结器件进行对比，从能带变化上对势垒层内的F-起到的调制作用进行解释。得到结果如图2所示。
可以看出，通过在AlGaN势垒层注入F-后与没经过处理的AlGaN/GaN异质结能带上对比。掺杂了F-后，在AlGaN与GaN异质结界面附近，GaN一侧的的能带出现明显的向上弯曲，形成导电沟道的势阱能级上升，势阱深度变浅。理论上，势阱深度变浅后将使得势阱中的二维电子气更容易被耗尽，在零偏压下，导电沟道更容易被关断。反过来当器件需要开启时，所需外加更大的栅压才能使得导电沟道导通。使得器件的阈值电压得以提高，增强型特性得到增强。
2.2C-V特性
我们进一步通过计算得到的C-V特性曲线对这一点进行证实。得到结果如图3。可以看出，在没进行F-离子注入的器件开启电压在-1.2V左右，在未加偏压时器件已经开启，属于耗尽型。当注入注入F-离子的密度分别为2×1013cm-2时，器件的开启电压从-1.2V已经跨越到了0.8Ｖ。注入1×1014cm-2 F-时，相应开启电压进一步提高到了1.4V。
2.3 F-浓度对阈值电压的影响
说明了F-的确通过对能带的结构的改变，达到对沟道内二维电子气的调制作用，实现了增强型效果。与此同时，我们开始关心是否通过不断加大F-注入量能够不断有效地提高器件开启电压。于是我们针对更多不同F-注入浓度对阈值电压的影响进行了模拟。结果如图4所示。
通过结果可以发现，F-在1013cm-2这个数量级内，对阈值电压的影响较为明显。当注入量超过1014cm-2后。阈值电压的升高随注入浓度的变化较小。并且理论上，过度的F-反而会引入更多的杂质缺陷，引入新的缺陷能级将不利于对二维电子气的调制效果。因此可以给出指导性的结果，在工艺上应当对F-注入量控制在1013cm-2这个数量级内较为理想(见图５)。
2.4注入深度对C-V特性影响
另一个关心的问题就是对于F-离子的注入深度控制。我们同样针对NF在AlGaN层中分布深度情况进行了模拟求解。我们选取AlGaN层为15nm厚的AlGaN/GaN结构，F-浓度为1×1013cm-2。主要针对F-离子停留在AlGaN层最上表面、停留在AlGaN层中间和贴近AlGaN/GaN界面三种理想情况进行了分别计算模拟。得到了相应的结果，如图6所示。
通过结果可以看出，随着F-注入后停留在AlGaN层最上表面即0nm深，体内7.5nm深度以及下表面15nm深，分别需要0.6V、1.2V、1.6V的开启电压。F-注入后停留越接近AlGaN层与GaN相邻界面，F-对沟道内2DEG的耗尽作用越发明显，开启电压也随其升高。根本原因在于F-越接近下表面，即与沟道电子之间距离越近，产生新的感应电场强度越高。对原有耗尽区内建电场抵消作用越强。更加有利于对沟道电子的耗尽，因而能够获得更高的开启电压。
3结束语
通过利用求解包含注入F-的AlGaN/GaN结构的电荷控制模型。我们得到针对F-注入方法实现的AlGaN/GaN结构的增强型HEMTs器件特性分析结果。模型计算结果验证了F-注入方法对实现增强型器件的内在原理以及有效性。通过提高F-注入浓度的方法，可以改变器件的C-V特性，提高器件的阈值电压。但在实现上应当控
制在1013cm-2对阈值电压的影响会有更明显的效果，超过这个范围后单纯依靠提高浓度对阈值电压的影响逐渐变得不明显。提高注入深度，使得注入的F-停留越接近AlGaN/GaN界面，越有利于产生正感应电荷，有利于对沟道电子的耗尽作用，以提高阈值电压。当然这对工艺上增加注入深度、控制F-扩散作用也提出了更高的要求。总而言之，通过以上几个方面可以改善器件的C-V特性，提高阈值电压，进一步提高增强型特性。?笮
参考文献
[1] Koudymov A，Wang C X，Adivarahan V，et al. Power stability of AlGaN/GaNHFETs at 20 W/mm in the pinched-off operation mode. IEEE Electron Device Lett，2007.
[2] Lanford W B，Tanaka T，Otoki Y，et al. Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage. Electron Lett，2005.
[3] Wang R N，Cai Y，Tang W，et al. Planar integration of E/D-Mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment. IEEE Electron Device Lett，2006.
[4] Liu Y，Egawa T，Jiang H. Enhancement-mode quaternary AlInGaN/GaN HEMT with non-recessed-gate on sapphire substrate. Electron Lett，2006.
[5] Yong Cai，Yugang Zhou，Kei May Lau，et al.Control of Threshold Voltage of AlGaN/GaN HEMTs by Fluoride-Based Plasma Treatment From Depletion Mode to Enhancement Mode. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，2006，53(9)：2207-2215.
关键词：F-注入；增强型HEMT；数值模拟
近几年来，AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其材料耐高温特性很强，抗腐蚀性更高。这些优越的性质使其很适合应用于高温、高压、大功率和抗辐射器件。而且在做成异质结材料中其界面的电子浓度以及电子迁移率都相当高，这又使其很适合应用于高电子迁移率晶体管(HEMT)。这些使得AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温器件及大功率微波器件方面拥有不可比拟的优势。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气(2DEG)，当材料制作成器件加负栅压后才能将2DEG耗尽而使沟道夹断，即常规 AlGaN/GaN HEMT 为耗尽型器件。但在数字电路、高压开关等领域应用时需要增强型器件。为此，近年来人们探寻了多种实现增强型GaN器件的方法。香港科技大学的Wang等人采用对栅区域注入F离子的方法实现了增强型器件；Lanford等人采用刻蚀掉AlGaN/GaN异质结的一部分AlGaN层制作槽栅结构，利用肖特基结对2DEG的耗尽作用来实现增强型器件; Liu等人采用AlInGaN/GaN异质结也实现了增强型器件(见图1)。这几种是目前最为重要的实现增强型GaN器件的方法，他们都各自具有不同的优势，分别拥有一定的应用价值，无法实现相互替代。本文就针对其中F-离子实现增强型器件的方法，从数值分析的角度对该方法进行理论计算，从原理上对其中F-对沟道电子进行调制以达到实现器件增强型特性的原理进行定性分析和定量计算。
1数值模型
因为氟离子的强负电性，在势垒层中存在的氟离子使得沟道中的2DEG在0V栅压下处于耗尽状态，对于器件而言在0V栅压下需要处于常关状态，也就是增强型器件。
大部分的氟离子处理后都停留在的AlGaN的势垒层中，我们认为其服从从表面到沟道处为一近似的高斯分布。与其他实验研究对经过氟离子处理的AIGaN/GaN异质结构进行了测试分析，测试结果与该分布基本一致，也就是说注入的氟离子只是在势垒层中对沟道电荷存在一定的调控作用，不会对器件开启之后最终达到的2DEG的浓度以及迁移率造成影响，这也是增强型GaN HEMT器件为人们所希望看到的 。
为了得到AlGaN/GaN器件异质结界面2DEG分布、能带分布以及宏观器件特性，我们采用在垂直异质结界面方向上自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法首先得到异质结界面2DEG分布、能带分布，然后利用理想栅电容的表达式Cg=?坠QT/?坠Vg，(这里QT代表整个沟道总电荷量，可以用全部沟道电子密度计算，Vg表示栅电压)，采用自洽数值模型解沟道电子密度随栅压变化，进而很容易得到栅电容以及C-V特性曲线。一维单电子薛定谔方程表达式如下
其中K是波尔兹曼常数，T为绝对温度，Ef为费米能级，Ei、ψi是第i个子带的电子能量和波函数。
2结果与讨论
2.1能带变化
我们首先选取了进行F-注入以及未进行注入的AlGaN/GaN异质结器件进行对比，从能带变化上对势垒层内的F-起到的调制作用进行解释。得到结果如图2所示。
可以看出，通过在AlGaN势垒层注入F-后与没经过处理的AlGaN/GaN异质结能带上对比。掺杂了F-后，在AlGaN与GaN异质结界面附近，GaN一侧的的能带出现明显的向上弯曲，形成导电沟道的势阱能级上升，势阱深度变浅。理论上，势阱深度变浅后将使得势阱中的二维电子气更容易被耗尽，在零偏压下，导电沟道更容易被关断。反过来当器件需要开启时，所需外加更大的栅压才能使得导电沟道导通。使得器件的阈值电压得以提高，增强型特性得到增强。
2.2C-V特性
我们进一步通过计算得到的C-V特性曲线对这一点进行证实。得到结果如图3。可以看出，在没进行F-离子注入的器件开启电压在-1.2V左右，在未加偏压时器件已经开启，属于耗尽型。当注入注入F-离子的密度分别为2×1013cm-2时，器件的开启电压从-1.2V已经跨越到了0.8Ｖ。注入1×1014cm-2 F-时，相应开启电压进一步提高到了1.4V。
2.3 F-浓度对阈值电压的影响
说明了F-的确通过对能带的结构的改变，达到对沟道内二维电子气的调制作用，实现了增强型效果。与此同时，我们开始关心是否通过不断加大F-注入量能够不断有效地提高器件开启电压。于是我们针对更多不同F-注入浓度对阈值电压的影响进行了模拟。结果如图4所示。
通过结果可以发现，F-在1013cm-2这个数量级内，对阈值电压的影响较为明显。当注入量超过1014cm-2后。阈值电压的升高随注入浓度的变化较小。并且理论上，过度的F-反而会引入更多的杂质缺陷，引入新的缺陷能级将不利于对二维电子气的调制效果。因此可以给出指导性的结果，在工艺上应当对F-注入量控制在1013cm-2这个数量级内较为理想(见图５)。
2.4注入深度对C-V特性影响
另一个关心的问题就是对于F-离子的注入深度控制。我们同样针对NF在AlGaN层中分布深度情况进行了模拟求解。我们选取AlGaN层为15nm厚的AlGaN/GaN结构，F-浓度为1×1013cm-2。主要针对F-离子停留在AlGaN层最上表面、停留在AlGaN层中间和贴近AlGaN/GaN界面三种理想情况进行了分别计算模拟。得到了相应的结果，如图6所示。
通过结果可以看出，随着F-注入后停留在AlGaN层最上表面即0nm深，体内7.5nm深度以及下表面15nm深，分别需要0.6V、1.2V、1.6V的开启电压。F-注入后停留越接近AlGaN层与GaN相邻界面，F-对沟道内2DEG的耗尽作用越发明显，开启电压也随其升高。根本原因在于F-越接近下表面，即与沟道电子之间距离越近，产生新的感应电场强度越高。对原有耗尽区内建电场抵消作用越强。更加有利于对沟道电子的耗尽，因而能够获得更高的开启电压。
3结束语
通过利用求解包含注入F-的AlGaN/GaN结构的电荷控制模型。我们得到针对F-注入方法实现的AlGaN/GaN结构的增强型HEMTs器件特性分析结果。模型计算结果验证了F-注入方法对实现增强型器件的内在原理以及有效性。通过提高F-注入浓度的方法，可以改变器件的C-V特性，提高器件的阈值电压。但在实现上应当控
制在1013cm-2对阈值电压的影响会有更明显的效果，超过这个范围后单纯依靠提高浓度对阈值电压的影响逐渐变得不明显。提高注入深度，使得注入的F-停留越接近AlGaN/GaN界面，越有利于产生正感应电荷，有利于对沟道电子的耗尽作用，以提高阈值电压。当然这对工艺上增加注入深度、控制F-扩散作用也提出了更高的要求。总而言之，通过以上几个方面可以改善器件的C-V特性，提高阈值电压，进一步提高增强型特性。?笮
参考文献
[1] Koudymov A，Wang C X，Adivarahan V，et al. Power stability of AlGaN/GaNHFETs at 20 W/mm in the pinched-off operation mode. IEEE Electron Device Lett，2007.
[2] Lanford W B，Tanaka T，Otoki Y，et al. Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage. Electron Lett，2005.
[3] Wang R N，Cai Y，Tang W，et al. Planar integration of E/D-Mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment. IEEE Electron Device Lett，2006.
[4] Liu Y，Egawa T，Jiang H. Enhancement-mode quaternary AlInGaN/GaN HEMT with non-recessed-gate on sapphire substrate. Electron Lett，2006.
[5] Yong Cai，Yugang Zhou，Kei May Lau，et al.Control of Threshold Voltage of AlGaN/GaN HEMTs by Fluoride-Based Plasma Treatment From Depletion Mode to Enhancement Mode. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，2006，53(9)：2207-2215.