锋矿晶体氮化物和诸如Al203、Gd203、Sc203、Ta20e 和Ti化的纤锋矿晶体氧化物。该种电介质材料层通常被沉积为多晶层，并且然后该种电介 质材料层在受到III-N半导体的高生长温度作用时，容易形成适合作为III-N生长的模板的 晶体。
[0039] 设置在过渡层115上的是III-N半导体沟道120。根据实施例，III-N半导体沟道 120具有纤锋矿结构并且沿着与{0001}基础平面正交的生长方向（即，沿着III-N半导体 晶体的C轴）发生成分坡度变化，如在图1A-1C的上下文中所述。在实施例中，III-N半导 体沟道120具有25nm至IjlOOnm之间的厚度（图2A中的Z轴）。在实施例中，III-N半导体 沟道120具有本征杂质渗杂水平，而没有有意加入渗杂剂。如图2A中所示，III-N半导体 沟道120包括多个层120A-120N，W加强III-N半导体沟道的厚度内的沿C轴的成分坡度变 化。在示例性实施例中，在半导体沟道厚度T的大致一半处，In坡度变化到峰值浓度。在 示例性实施例中，III-N半导体沟道120包括InGaN，其相对于AlGaN实施例具有优势，因为 InGaN的极化场的取向与AlGaN和GaN的取向相反，并且InGaN的导带与宽带隙过渡层115 的导带的偏移将更大。该对于给定过渡层材料和/或过渡层成分的宽松限制（例如，允许 AlGaN过渡层中的A1含量较低）产生较好的载流子约束。
[0040] 如图2A中进一步所示，设置在III-N半导体沟道120的（0001)表面上的是极化 层125。极化层125在功能上用作电荷感应层，W向III-N半导体沟道120可控地供应载流 子。在示例性实施例中，极化层125的厚度在Inm到20nm的范围内。极化层还可W用作载 流子约束的手段，其中带隙足够宽。在示例性实施例中，极化层125包括AlInGaN、AlGaN、 AlInN或AIN的至少其中之一。极化层125还可能需要多个成分不同的层，例如第一电荷感 应层和具有不同成分的上覆顶部阻挡层，W允许调整晶体管阔值电压，同时确保薄的（例 如，〉0. 5nm)宽带隙材料位于半导体沟道层的表面处，W获得减小的合金散射和高载流子迁 移率。
[0041] 利用在图1A-1B的上下文中所述的成分坡度变化，极化场（和带隙）在坡度变化 的III-N半导体沟道120内发生变化，W允许在III-N半导体沟道120内形成一定体积的电 荷，然后可W根据栅极电极250上的电压电势经由栅极电介质240通过场效应来调制所述 电荷。通过为栅极电极250选择功函数，阔值电压（Vt)可W被设定为定义半导体沟道120 的源极端部与漏极端部之间的连接的开关状态。由于可W将任何常规源极/漏极架构用于 晶体管201，所W省略了源极/漏极区的其它细节。
[0042] 图2B描绘了根据本发明的实施例的图2A中所示的晶体管201的III-N半导体沟 道内的模型化电荷。III-N半导体沟道120的厚度（Z维度）被模型化为50nm并且y维度 宽度为lOnm。如图所示，在高于阔值电压的栅极偏置条件下，相对于区域220M，与输运沟道 相关联的较高电荷密度的区域沿着III-N半导体沟道120内的多个表面平面存在。因此，除 了接近（0001)顶部III-N半导体沟道表面110C处的具有较高电荷密度的输运沟道220C之 夕F，在接近III-N半导体沟道侧壁210A和210B(即，接近{1010}平面）处还存在额外的输 运沟道220A和220B。该较大的输运沟道维度（即，3D而非仅2D)是采用与图1A-1B的上 下文中所描述的实施例一致的方式使III-N半导体沟道120发生成分坡度变化的结果。注 意，在过渡层115的界面处大体上为纯GaN的情况下，即使在高于阔值电压的栅极偏置条件 下，在接近过渡层115处也不存在输运沟道。该样一来，侧壁输运沟道220A、220B在非平面 晶体管201的基极220N处被夹断，减小了子罐状物泄漏。因此，III-NFin阳T201具有有 利的多侧壁输运沟道，其对III-N半导体沟道120的侧壁上存在的栅极堆叠体做出响应。
[00创图2C描绘了根据本发明的实施例的多栅极非平面III-N晶体管202的沟道区的截 面。通常，晶体管202采用本文中其它位置在图1D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202是栅极电压控 制的器件（即，"栅极全包围"或"纳米线"FET)并且在示例性实施例中是n型纳米线FET， 其包括设置在衬底层205之上的至少一个非平面晶体半导体沟道120。
[0044] 如图2C所示，晶体管202包括非平面III-N半导体主体，其与衬底层205由过渡层 115W及栅极电介质240和栅极电极250分隔开。设置在过渡层115上的是III-N半导体沟 道120。根据示例性实施例，III-N半导体沟道120沿着与{0001}基础平面正交的生长方向 (即，沿着III-N半导体晶体的C轴）发生成分坡度变化，如在图1D的上下文中所述。在实 施例中，III-N半导体沟道120具有小于晶体管201的厚度（例如，小于30nm)的厚度（图 2C中的Z轴）。对于"带状"几何形状，III-N半导体沟道120的y维度或宽度大于Z轴厚 度（例如，50nm或更大）。其它尺寸当然也是可能的。沟道渗杂是任选的，并且在某些实施 例中，III-N半导体沟道120同样具有本征杂质渗杂水平，而没有有意加入渗杂剂。如图2C 中所示，III-N半导体沟道120包括多个层120A-120N，W加强成分坡度变化。在示例性实 施例中，In从过渡层115的界面处的峰值浓度（例如，~20% )到极化层125的界面处的 0% (纯GaN)发生坡度变化。
[0045] 图2D描绘了根据本发明的实施例的在向栅极电极250上施加正电势的情况下的 图2C中所示的晶体管202的III-N半导体沟道内的模型化电荷。在高于阔值电压的栅极偏 置条件下，与输运沟道相关联的电荷密度同样沿着III-N半导体沟道120内的多个表面平面 存在。除了接近（0001)表面110C的输运沟道220C之外，还存在接近III-N半导体沟道120 的（OOOt)表面处的额外的输运沟道220D。该较大的输运沟道维度（即，3D而非仅2D) 是采用与图1D的上下文中所描述的实施例一致的方式使III-N半导体沟道120进行成分坡 度变化的结果。注意，在过渡层115的界面处的In含量为20%的情况下，在高于阔值电压 的栅极偏置条件下，接近过渡层115的输运沟道220D与输运沟道220C重叠，W获得朝向纳 米线的中屯、的最高载流子浓度。纳米线半导体的顶表面和底表面因此都在功能上与栅极禪 厶 口〇
[0046] 图3是示出根据本发明的实施例的制造非平面III-N场效应晶体管（FET)的方法 300的流程图。尽管方法300突出了主要操作，但每个操作都可能需要很多更多的工艺步 骤，并且图3中的操作的编号或相对位置不暗示次序。方法300开始于在操作301处通过 例如但不限于MOCVD、MOVPE或MBE的技术来生长III-N半导体堆叠体。更具体地，操作301 需要形成晶体宽带隙过渡层，例如本文中其它位置针对过渡层115所描述的那些层中的任 一种。然后在过渡层之上生长III-NS元或四元半导体沟道层，并且合金组分的分压力发生 适当变化，W在沟道层的厚度上使III-N半导体沟道层的成分发生坡度变化（例如，朝向接 近极化层处的较窄带隙成分），如本文中其它位置所述。
[0047] 还可W均匀地并且关于III-N半导体沟道层的大约一半厚度对称地执行坡度变 化。例如，在从过渡层进行外延生长期间，可W从接近过渡层处的第一较低铜含量开始改变 III-N半导体沟道层的成分，其中朝向最窄的带隙成分单调增大铜含量，并且朝向第二较宽 带隙成分单调减小铜含量。替代地，对于纳米线实施例，在操作301处，可W在生长期间从 接近过渡层处的最高铜含量开始改变III-N半导体沟道层的成分，并且在改变用于生长极 化层的反应器条件之前，朝向最窄带隙成分单调减小铜含量。例如，在操作301期间，可能 发生In从0%到10%或更大的坡度变化。作为另一个示例，可W在操作301处执行A1从 30%或更大下降到0%并返回30%或更大的坡度变化。在III-N半导体沟道的坡度变化之 后，然后在接近较宽带隙成分的III-N半导体沟道层之上外延生长宽带隙极化层。
[0048] 操作301适用于fin阳T实施例或纳米线实施例，并且可W使用选择性外延技术来 生长罐状物或纳米线结构，或替代地，可W在操作303处执行图案化工艺W由均厚（非选 择性）外延生长形成罐状物或纳米线结构。图4A、4B、4C、4D和4E是根据方法300的实施 例制造的非平面III族-N纳米线晶体管的等距图。注意，图4A中所示的罐状物结构410是 fin阳T的更复杂的种类，并且同质fin阳T201具有大体上相同的一般结构，除了单个III-N 半导体层具有图1B-1C的坡度变化。因此图4A-4E同样适用于形成finFET201作为纳米 线晶体管202。
[0049] 图4A描绘了纳米线210A和210B的垂直堆叠体，二者均具有设置在宽带隙过渡层 与极化层之间的坡度变化的半导体沟道，如图1D中所示。纳米线210A、210B之间设置的是 不同成分的牺牲材料212A、212B和212