1. 研究目的与意义
1.1研究背景：
功率半导体器件是电力转换的重要部件【1】,是影响电力转换效率的关键因素。由于第一代硅（si）基功率器件已经无法满足人们日益增长的性能需求,因此,急需找到一种新的半导体材料来取代硅。第三代功率半导体氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度大、击穿电场高等优异的性能【2】,可以有效地替代硅（si）基半导体。基于GaN功率半导体材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种异质结器件,能够在高压、高频、高温等更为恶劣环境下工作,因此被电力供应、汽车电子、轨道交通、航空航天以及武器装备等领域重视【3】。
由于极化效应的存在，一般的GaN HEMT是一种常开型器件，由于驱动电路的复杂以及系统的可靠性等方面的影响，寻求到一种新的可靠的制造增强型GaN HEMT器件的方法是非常有必要的。目前常用的制备技术或结构包括：Cascode结构、凹槽栅结构、MIS栅极结构以及氟离子注入技术等【4、5】。在这些方法中，F 离子注入技术允许通过控制注入参数来精准调节器件的阈值电压引起国内研究者的广泛关注。但是高能离子注入很容易在材料内部形成新的结构缺陷成为过剩载流子的有效复合中心和漏电流通道，对器件的电学和光学特性产生重要的影响。因此研究氟离子注入对GaN基器件电学和光学特性的影响具有实际意义。
1.2国内政策支持
（1）国内于2011年由国务院颁布的《关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》，有效完善了对企业财税的优惠政策，引进了资金的渠道，支持了中小型软件企业创业，并引进了海外高层次的人才.
（2）于2012年由工业和信息化部颁发的《集成电路产业“十二五”发展规划》
电子信息制造业“十二五”规划》，鼓励发展芯片设计，适应三网融合、终端融合、内容融合的趋势，来重点突破图像处理引擎、多格式视频解码视频格式的转换等重要方向。
（3）2013年国家发展与改革委员会颁布了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》
此目录将集成电路测试设备列入了战略性新兴产业重点产品。
（4）2016年国务院颁布了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，该政策把战略性新兴产业摆在经济社会发展更加突出的位置。
（5）2019是新中国成立的70周年是全面建成小康社会实现第一个百年奋斗目标的关键时期，各地方纷纷出台了支持5G等新兴产业发展的“新基建”政策，使得国内的增长值迅速提升。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外
1993年,APA Optics公司的M.A.Khan等人制备了第一支AIGaN/GaN HEMTs，器件栅长4μm，阈值电压为-6 V。1996年，Y.F.Wu等人首次测试了AlGaN/GaN HEMTs的微波功率特性，实现2GHz下1.1 W/mm 的输出功率密度，达18.6%功率附加效率，这为HEMTs 器件在微波领域的应用开启了光明前景。2006年，Cree 公司的Y.Wu等人基于双场板结构设计的GaN基HEMTs，实现了4GHz下的输出功率密度提高到 41.4 W/mm。
AlGaN/GaN HEMTs 作为功率器件的研究要晚于微波器件的研究，但是凭借自身独特的优势，迅速成为了科研和工业界关注的热点。基于GaN的异质结器件，特别是AlGa N/GaN HEMTs，可以实现高性能的高频功率放大器和电源开关。得益于其优越的材料及结构特性，如高达2.5107cm/s 的电子饱和速度，高达3.3MV/cm 的击穿电场，极化诱导2DEG的迁移率高达 2000 cm2Vs，GaN基功率器件的性能有望远远超过主流硅技术和其他先进半导体技术所制备的器件【8.9.10】。
在技术快速发展的同时，仍有许多挑战需要面对。例如：在硅基金属氧化物半导体
场效应晶体管（MOSFET）技术中，器件的阈值电压可以通过离子注入在处理阶段进行局部调控。但是，在传统c面上Ga面生长的AlGaN/GaN HEMTs的阈值电压主要在材料生长阶段确定，即使材料未经故意掺杂，器件由于异质结强烈的自发和压电极化效应而表现出大的负阈值电压，因此一般的GaN基HEMTs 都是耗尽型器件（常开型）。然而，在射频/微波电路的实际应用中，增强型HEMTs（常关型）可以避免如耗尽型器件那样需要使用负压电源关闭沟道电流的情况，从而减少电路误开启的危险，降低电路的整体功耗；在电力电子应用中，通过增强型器件实现的电源开关自带失效保护操作，从而可以简化电路和系统架构。可以看出，增强型GaN基HEMs 更适合设计电力电子电路，是目前该领域的研究热点和技术难题。由于AlGaN/GaN 异质结中自身存在的强极化电场，增强型AlGaN/GaN HEMTs 的制备难度远大于耗尽型器件。
1996 年以来，出现了许多实现增强型器件的尝试。第一支增强型AlGaN/GaN HEMTs 同样是由APA Optics公司的M. Khan 等人制备，使用了厚度 10nm 的AlGaN 薄势垒层，实现了0.05 V 的正值阈值电压以及23 mS/mm 的跨导。
2000 年，南卡罗来纳大学 X. Hu 等人报道了基于选择生长的 p-Ga N/Al Ga N/n-Ga N 结构，利用pn结中的高内建电场耗尽2DEG沟道来实现增强型 HEMTs【11】。2002年，美国 HRL
实验室 J.S.Moon 等人报道了利用凹槽栅结构制备增强型AlGaN/GaN HEMTs 的方法，器件的阈值电压接近于0V。2005 年，伊利诺伊大学香槟分校 W. B. Lan Ford 等人使用低损伤的感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）技术，实现了阈值电压为 0.47 V、跨导为 310mS/mm 的增强型AlGaN/GaN HEMTs。随后在 2007 年，日本松下电器Y. Uemoto 等人通过在栅极正向高电压下的p型AlGaN 盖帽层中注入空穴，增强开态条件下的沟道电导率，实现了阈值电压为 1.2 V 的增强型 AlGaN/GaN 功率晶体管【16.17】。
1.3.2国内方面
针对增强型 HEMTs的制备问题【12.13】，香港科技大学 Kevin J. Chen 团队提出了一种基于氟等离子体离子注入技术调节AlGaN/GaN 中的局部电势和载流子浓度的方法。2005年，该团队的蔡勇等人利用栅下氟离子注入技术制备了具有低导通电阻的自对准增强型AlGaN/GaN HEMTs，其器件结构示意图如图（a）所示。在栅极下方的AlGaN势垒层引入氟正离子，利用氟自身极强的电负性耗尽沟道中的 2DEG，抬高AlGaN/GaN 异质结界面处的导带能级，使其越过费米能级。氟正离子获取电子后成为氟负固定电荷，使得AlGaN导带能级向上弯曲，增加势垒高度。这一技术也被 R.Wang和 C.T.Chang应用到制备增强型 AlGaN/GaN MIS-HEMTs，分别实现了 2 V 和 5.1 V的阈值电压。2010年，河北半导体研究所Z.H.Feng 等人实现了 18 GHz 下功率密度达3.65 W/mm 的氟离子注入增强型 Al Ga N/Ga N HEMTs。2015 年，C. Liu 等人研制出了阈值电压热稳定的凹槽栅下氟离子注入增强型 MIS-HEMTs，但超过 200℃器件的阈值电压仍会往负压偏移【7】。
图1、低导通电阻的自对准增强性A1GaN/GaN HEMTs结构示意图
（a）氟离子注入GaN基增强型HEMTs的结构示意图
（b）氟离子注入前后的能带示意图
1.4目的和意义
（1）通过氟离子注入二极管对其电学特性和光学特性可以发现可以有效一直器件的反向漏电流提高整流特性。
（2）将内建电势从1.33V调节至3.22V由于显著降低了反向漏电流器件表现出典型的紫外光响应特性【14.15】。
（3）通过 CF4等离子体处理技术实现氟离子注入GaN势垒层,并利用注入氟正离子的强电负性完全耗尽AlGa N/Ga N 异质结界面的二维电子气(2DEG)【6】,达到关闭沟道的作用,有效调控器件阈值电压往正向偏移,可将传统耗尽型AlGaN/GaN HEMT转变为增强型器件【18】。
系统地研究氟离子注入对 GaN 基器件电学和光电特性的影响，对于方便有效地利用该技术制备不同的器件,具有很好的科学价值和应用前景。
2. 研究内容与预期目标
2.1主要研究内容
（1）通过图书馆及网上查阅学习并掌握氟离子注入GaN HEMT器件相关资料。
3. 研究方法与步骤
1.研究方法：
（1）文卷调查：查找学校图书馆资料、核心期刊,以及网上的统计资料，为本文提供书面材料实验方法部分数据。（2）实验操作：实验系统研究HEMT器件的电学性能，测试相关电学参数经验总结.对比分析。
（3）数据收集：总结并整理实验数据，进行优化实验。
4. 参考文献
1.郝跃，张金凤，张进成, 氮化物宽禁带半导体材料与电子器件[M]. 北京: 科学出版社, 2013
2.杨燕,王文博,郝跃.AlGaN/GaN异质结构的欧姆接触[J].半导体学报,2006,27(10):1823-1827. DOI:10.3969/j.issn.1674-4926.2006.10.025.
5. 工作计划
（1）2021.1.10-2022.3.01文献调研，图书馆查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译；
（2）2021.3.01-2022.4.15实验系统研究HEMT器件的电学性能，测试相关电学参数；
以上是毕业论文开题报告，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
