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。
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。
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。
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。