半导体沟道内的区域 的合金含量的曲线图。
[002引图1A中所示的GaN晶体是非中屯、对称的，表示III-N晶体没有反演对称性，并且更 具体而言，{0001}平面是不等价的。对于纯GaN，（0001)平面通常被称为Ga面（+C极性， 或在[0001]方向中），并且另一个（OOOt)平面被称为N面（-C极性，或在[000r]方向 中）。因此，图1A中的取向是Ga面或（0001)，并且（0001)平面在III-N半导体沟道的顶表 面上具有晶格常数a。
[0026] 由于极性键合和晶体不对称，III-N半导体内存在自发极化场PSP，并且在III-N半 导体受到平行于（0001)平面（沿图1B所示的y维度）的拉伸应变时，压电极化场PPE与 远离（0001)平面并朝向（OOOt)平面的PSP对准。III-N半导体内的成分坡度变化可W 传播该些极化场W相对于特定晶面（Ga或脚提供期望的分布极化感应电荷载流子（例如，n型）。注意，在InN和A1N沉积于GaN的Ga面上时，InN和A1N中的自发极化场取向彼此 相反，并且因此本文的实施例通过使In含量相对于Ga或N面在第一方向上坡度变化（例 如，增大In% )来获得III-N半导体沟道体积内的极化载流子电荷的期望分布，而使A1含量 坡度变化的实施例在相反方向上该样做（例如，减小A1% )。
[0027] 在实施例中，使In含量坡度变化W在宽带隙材料的界面处具有相对更纯的GaN(例如，0%的In)。利用该种坡度变化，可W在坡度变化的半导体内形成3D电子气，并 且在接近衬底区处不存在电荷载流子，该对于减少或防止泄漏路径可能是有利的，如本文 中其它位置在图2A-2B的上下文中所进一步描述的。如图1B所示，In含量的坡度变化还 有利地关于W宽带隙过渡层115的界面与宽带隙III-N极化层125的界面之间为中屯、的平 面对称。在实施例中，In含量从相应的III-N面向上坡度变化，W在坡度变化的III-N半导 体沟道120的C轴厚度的大致一半处汇合。相对于利用Ga与N面之间的合金含量的最小 范围来获得特定输运沟道几何形状，该种坡度变化分布可能是有利的。In的坡度变化关于 中屯、平面不对称的变化也是可能的。
[002引对于图1B中所示的对称坡度变化的实施例，在与过渡层115的界面处开始，III-N半导体沟道120发生坡度变化，并且铜含量在大致等于III-N半导体沟道120的厚度的一半 (1/2T)的第一距离上增大。然后，III-N半导体沟道120进一步发生坡度变化，并且铜含量 在大致等于与极化层125的界面相距1/2T的第二距离上减小。在示例性实施例中，在半导 体沟道120与宽带隙过渡层和极化层115、125中的每一个的界面处，In含量为0% (即， In脚1_具其中X= 0，或纯GaN)。如图1B中由电荷符号的大概位置所示出的，在III-N半导 体沟道120的（000r)面处为纯GaN的情况下，在与宽带隙过渡层115的界面处缺少电荷 载流子。
[0029] 在示例性实施例中，最大In含量达到大约10%，尽管在其它实施例中可W更高 (例如，15-20% )。在该范围上，坡度变化有利地在坡度变化距离上是均匀的，W获得均匀 的极化电荷密度。在示例性实施例中，在远离III-N半导体沟道120的（0001)表面并远离 (OOOt)表面并且朝向一半厚度或中屯、平面的方向上，坡度变化是线性的。当然，非线性 坡度变化（例如，在半导体沟道120的厚度上呈抛物线变化等）也是可能的。
[0030] 图1C是根据实施例的具有图1A所示的晶体取向的基于Al,Gai_,N的成分坡度变化 的III-N半导体沟道120的截面图。在与过渡层115的界面处开始，III-N半导体沟道120 发生坡度变化，并且A1含量在大致等于III-N半导体沟道120的厚度的一半（1/2T)的第一 距离上减小。III-N半导体沟道120进一步发生坡度变化，并且A1含量在大致等于与极化 层125的界面相距1/2T的第二距离上增大。在示例性实施例中，在半导体沟道120的一半 厚度或中屯、平面处，A1含量为0% (即，纯GaN),并且在宽带隙过渡层和极化层115、125中 的每一个的界面处具有最大A1含量（例如，30%或更大）。如图1C所示，在与宽带隙过渡 层115的界面处再次缺少电荷载流子。
[0031] 在半导体沟道120内，A1的坡度变化有利地是均匀的，W获得均匀的极化电荷密 度。在示例性实施例中，从III-N半导体沟道120的（0001)和（OOOl)表面到一半厚度或 中屯、平面，坡度变化是线性的。当然，非线性坡度变化（例如，在半导体沟道120的厚度上 呈抛物线变化等）同样是可能的。
[0032] 对于四元实施例，A1和/或In的坡度变化与图1B、1C中所示的那些一致，并且A1 和In含量的至少其中之一从过渡层115开始在大致等于III-N半导体沟道120的厚度的一 半（1/2T)的第一距离上发生变化（例如，减小或增大），并且然后在大致等于III-N半导体 沟道120的厚度的一半（1/2T)到极化层125的第二距离上发生对称变化（例如，增大或减 小）。
[0033] 在其它实施例中，In含量发生坡度变化，W在N面（〇〇〇r)处的宽带隙材料的界 面处具有最高In含量，并且在Ga面（0001)处的宽带隙材料的界面处具有最低In含量。图 1D中描绘了该替代的坡度变化曲线W及III-N半导体沟道120和高带隙层115、125的对应 的截面图。如图所示，与高带隙过渡层115的界面处的In含量充分高，从而在向栅极电极施 加高于阔值电压的偏置电压时，与宽带隙过渡层115相邻的III-N半导体沟道120内存在电 荷载流子（电子）。在示例性实施例中，峰值In含量为20%，尽管其范围可W为15-20%。 同样，在示例性实施例为线性坡度变化的情况下，均匀坡度变化是有利的，W使一半厚度处 的In含量再次约为10%，并且极化层125的界面处大体上为纯GaN。注意，对于坡度变化 的A1含量，即使其具有与针对In所描述的相反的曲线，也不会具有相同的效果，因为GaN 带隙比InGaN实施例的带隙宽得多。
[0034] 注意到图1B和1C中所示的实施例由于A1和InS元合金的不同极化强度而需要 彼此相对反转的坡度变化曲线，可W将坡度变化曲线更方便地表达为带隙的函数。在InGaN 的带隙小于GaN的带隙并且AlGaN的带隙比GaN的带隙宽的情况下，图1B、1C、甚至ID中的 坡度变化曲线中的每一个都在从两个宽带隙材料层115和125开始（在图1B和1C中朝向 半导体沟道的中屯、平面，并且在图1D中朝向第二宽带隙材料层）的距离上减小带隙。换言 之，对于图1B和1C中所示的实施例，带隙从两个宽带隙材料层115和125中的两者朝向中 屯、平面下降。对于图1D中所示的实施例，带隙从宽带隙材料层125朝向宽带隙材料层115 下降。
[003引注意，图1A-1D中所述的坡度变化曲线同样适用于生长在衬底的侧壁表面上的外 延沟道层，其可W例如出于提供（110)或（100)衬底的（111)或（110)晶种表面的目的而 完成。对于该种实施例，如图化中所示，结构化模板表面从衬底延伸，W使III-N纤锋矿晶 体被旋转，W使{0001}面形成侧壁并且{1010}面的其中之一形成顶表面和底表面。图1F 描绘了具有图1E中的取向的III-N半导体沟道120的示例性In和/或A1坡度变化曲线。
[0036] 图2A描绘了根据本发明的实施例的S栅极非平面III-N晶体管201的沟道区的截 面。通常，晶体管201采用本文中其它位置在图1A-1B的上下文中所描述的坡度变化的III-N 半导体沟道120,并且因此保留用于前述特征的附图标记。III-N晶体管201是栅极电压控 制的器件（即，FinFET)并且在示例性实施例中是n型FinFET，其包括设置在衬底层205上 的至少一个非平面晶体半导体沟道120。
[0037] 在实施例中，衬底层205包括由生长（图1A中所示）在支撑衬底（未描绘）上的 III族-N半导体构成的缓冲层。在具体实施例中，衬底层205包括设置在娃支撑衬底上的一 个或多个GaN层。在示例性实施例中，娃支撑衬底大体上是单晶并且是（100)娃（即，具有 (100)顶表面）或（110)娃（即，具有（110)顶表面）。支撑衬底也可W是另一种材料，其 可W或可W不与娃组合，所述材料包括但不限于错、铺化铜、蹄化铅、神化铜、磯化铜、神化 嫁或铺化嫁、碳（SiC)和藍宝石。
[003引如图2A中进一步所示，晶体管201包括非平面III-N半导体主体，其与衬底层205 由过渡层115分隔开。在示例性实施例中，过渡层115具有一定组成并且相对于III-N半导 体沟道120物理设置，W便防止或至少减少从晶体管101进入衬底层105的泄漏（即，子罐 状物泄漏）。因此，过渡层115具有比直接接触过渡层115的III-N半导体沟道材料的带隙 宽的较宽带隙材料。过渡层115还允许III-N半导体沟道120的外延生长并且因此也具有纤 锋矿晶性。该样一来，过渡层115可W是一种或多种III-N材料或晶体电介质，其中示例性 III-N材料包括A1N、AlGaN(例如，A1 <0. 3Ga〉0. 7脚或A1InN(例如，A1。. 831%17脚，并且示例 性晶体电介质包括诸如TiN、SiN、A1N的纤