JP2008159691A - Nitride semiconductor element, nitride semiconductor crystal growth substrate, and method for manufacturing same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III nitride semiconductor crystal growth substrate being appropriate as the material of a power device, and to provide its manufacturing method, and a group III nitride semiconductor element formed by using the group III nitride semiconductor crystal growth substrate. <P>SOLUTION: A field-effect transistor includes a nitride semiconductor lamination structure part 5 having an N-type GaN layer 6, a P-type GaN layer 7, and an N-type GaN layer 8, which are sequentially laminated from the side of the main surface 2A of a GaN film 2 so as to allow a lamination interface to be orthogonally crossed with the main surface 2A of the GaN film 2. The respective end surfaces of the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 8 are defined as exposure surfaces 61, 71, 81 to be respectively exposed along a direction in parallel with the main surface 2A of the GaN film 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、III族窒化物半導体を用いた、窒化物半導体結晶成長基板、窒化物半導体素子および窒化物半導体結晶成長基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor crystal growth substrate, a nitride semiconductor element, and a method for manufacturing a nitride semiconductor crystal growth substrate using a group III nitride semiconductor.

従来、パワーアンプ回路、電源回路、モータ駆動回路などには、シリコン半導体を用いたパワーデバイスが用いられている。
しかし、シリコン半導体の理論限界から、シリコンデバイスの高耐圧化、低抵抗化および高速化は限界に達しつつあり、市場の要求に応えることが困難になりつつある。
そこで、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび小オン抵抗といった特徴を有するGaNデバイスの開発が検討されている(たとえば、非特許文献1参照)。
大久保聡著、「もう光るだけじゃない 機器の進化の裏にGaN」、2006年6月5日、日経エレクトロニクス、p.51−60
Conventionally, power devices using silicon semiconductors are used in power amplifier circuits, power supply circuits, motor drive circuits, and the like.
However, due to the theoretical limits of silicon semiconductors, the increase in breakdown voltage, reduction in resistance, and increase in speed of silicon devices are reaching their limits, and it is becoming difficult to meet market demands.
Therefore, development of GaN devices having characteristics such as high breakdown voltage, high temperature operation, large current density, high-speed switching, and small on-resistance has been studied (for example, see Non-Patent Document 1).
Satoshi Okubo, “GaN is behind the evolution of equipment, not just shining”, June 5, 2006, Nikkei Electronics, p. 51-60

これまでに提案されているGaNデバイスは、たとえば、SiC基板の主面に沿って成長させられたGaN層の表面に、さらにN型AlGaN層が成長させられ、このN型AlGaN層の表面近くに、ソース領域(P型領域)およびドレイン領域(P型領域)が形成されている。そして、GaNデバイスは、ソース領域およびドレイン領域の上にソース電極およびドレイン電極がそれぞれ設けられ、N型AlGaN層の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられることにより、横型構造を成している。   In the GaN device proposed so far, for example, an N-type AlGaN layer is further grown on the surface of the GaN layer grown along the main surface of the SiC substrate. A source region (P-type region) and a drain region (P-type region) are formed. The GaN device has a lateral structure by providing a source electrode and a drain electrode on the source region and the drain region, respectively, and providing a gate electrode on the surface of the N-type AlGaN layer via a gate insulating film. ing.

ところが、このような横型構造を成すGaNデバイスは、GaN層の表面付近に現われる2次元電子ガスを通してソース−ドレイン間に電流が流れる、いわゆるノーマリーオン動作となる。
その結果、パワーデバイスにおいて必須とも言えるノーマリーオフ動作を実現することが、必ずしも容易ではないという問題がある。
However, a GaN device having such a lateral structure has a so-called normally-on operation in which a current flows between a source and a drain through a two-dimensional electron gas that appears near the surface of the GaN layer.
As a result, there is a problem that it is not always easy to realize a normally-off operation that can be said to be essential in a power device.

そこで、この発明の目的は、パワーデバイスの材料として適したIII族窒化物半導体結晶成長基板およびその製造方法を提供することにある。
また、この発明の別の目的は、上記III族窒化物半導体結晶成長基板を用いて形成されるIII族窒化物半導体素子を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor crystal growth substrate suitable as a power device material and a method for manufacturing the same.
Another object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor device formed using the group III nitride semiconductor crystal growth substrate.

上記目的を達成するための請求項1記載の発明は、基層と、積層界面が前記基層の主面と斜めに交差するように、前記基層の主面側から順に積層された、第1導電型の第1III族窒化物半導体層、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2III族窒化物半導体層、および前記第1導電型の第3III族窒化物半導体層を備え、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の各端面が、前記基層の主面に平行な露出面を有する、窒化物半導体積層構造部と、を含む窒化物半導体結晶成長基板である。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is the first conductivity type, wherein the base layer and the stack interface are stacked in order from the main surface side of the base layer so as to obliquely intersect the main surface of the base layer. A first group III nitride semiconductor layer, a second conductivity type second group III nitride semiconductor layer different from the first conductivity type, and the first conductivity type third group III nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor crystal growth substrate includes: a nitride semiconductor multilayer structure portion in which each end face of the second and third group III nitride semiconductor layers has an exposed surface parallel to the main surface of the base layer.

この構成によれば、窒化物半導体結晶成長基板の窒化物半導体積層構造部は、第1、第2および第3III族窒化物半導体層の各端面が基層の主面に平行な方向に沿って露出する、露出面を有している。
そのため、この窒化物半導体結晶成長基板に、たとえば、第1、第2および第3III族窒化物半導体層の各露出面を跨るようにゲート絶縁膜を設け、このゲート絶縁膜を挟んで第2III族窒化物半導体層に対向するようにゲート電極を設け、また、第1III族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにソース電極を設け、さらに、第3III族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにドレイン電極を設けることにより、横型のMIS(Metal Insulator Semiconductor)型電界効果トランジスタを得ることができる。
According to this configuration, the nitride semiconductor multilayer structure portion of the nitride semiconductor crystal growth substrate is exposed along a direction in which each end face of the first, second, and third group III nitride semiconductor layers is parallel to the main surface of the base layer. And having an exposed surface.
Therefore, for example, a gate insulating film is provided on the nitride semiconductor crystal growth substrate so as to straddle the exposed surfaces of the first, second, and third group III nitride semiconductor layers, and the second group III group is sandwiched between the gate insulating films. A gate electrode is provided so as to face the nitride semiconductor layer, a source electrode is provided so as to be electrically connected to the first group III nitride semiconductor layer, and further, electrically connected to the group III nitride semiconductor layer. By providing the drain electrode so as to be connected, a lateral MIS (Metal Insulator Semiconductor) field effect transistor can be obtained.

また、窒化物半導体積層構造部の積層界面が、基層の主面と斜めに交差する構造とされているので、当該窒化物半導体結晶成長基板を用いて得られる電界効果トランジスタは、ノーマリーオフ動作、すなわち、ゲート電極にバイアスを印加しないときにソース−ドレイン間をオフ状態とする動作を、容易に実現することができる。
また、III族窒化物半導体層によって電界効果トランジスタを構成していることにより、シリコン半導体を用いたデバイスに比較して、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび小オン抵抗といった特徴を享受することができる。特に、高耐圧で低損失な動作が可能であるから、良好なパワーデバイスを実現することができる。
In addition, since the multilayer interface of the nitride semiconductor multilayer structure section has a structure that obliquely intersects the main surface of the base layer, the field effect transistor obtained using the nitride semiconductor crystal growth substrate has a normally-off operation. That is, the operation of turning off the source and the drain when no bias is applied to the gate electrode can be easily realized.
In addition, the field effect transistor is composed of a group III nitride semiconductor layer, which has features such as high breakdown voltage, high temperature operation, large current density, high speed switching, and small on-resistance compared to devices using silicon semiconductors. You can enjoy it. In particular, since a high voltage and low loss operation is possible, a good power device can be realized.

なお、III族窒化物半導体とは、III族元素と窒素とを化合させた半導体であり、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表すことができる。
たとえば、第1III族窒化物半導体層および第3III族窒化物半導体層をN型とし、第2III族窒化物半導体層をP型として、Nチャネル型のMIS型電界効果トランジスタを構成する場合の動作について説明する。この場合に、ソース−ドレイン間には、ドレイン側が正となるバイアスが与えられる。このとき、第2および第3III族窒化物半導体層の界面のPN接合部には、逆方向電圧が印加されることになるから、これにより、ソース−ドレイン間は遮断状態となる。この状態から、ゲート電極に対して、第1III族窒化物半導体層に対して正となるバイアス電圧を印加すると、第2III族窒化物半導体層において、ゲート電極に対向するゲート絶縁膜付近の領域に領域(チャネル領域)に電子が誘起され、反転チャネルが形成される。この反転チャネルを介して、第1および第3III族窒化物半導体層間が導通し、したがって、ソース−ドレイン間が導通することになる。こうして、ゲート電極に適切なバイアスを与えたときにソース−ドレイン間が導通する一方で、ゲート電極にバイアスを与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。つまり、ノーマリーオフ動作が実現される。
Note that a group III nitride semiconductor is a semiconductor in which a group III element and nitrogen are combined, and aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) are representative examples. In general, it can be expressed as Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
For example, an operation when an N-channel type MIS field effect transistor is configured by using a first group III nitride semiconductor layer and a third group III nitride semiconductor layer as an N type and a second group III nitride semiconductor layer as a P type. explain. In this case, a bias with a positive drain side is applied between the source and the drain. At this time, since a reverse voltage is applied to the PN junction at the interface between the second and third group III nitride semiconductor layers, the source and drain are cut off. In this state, when a bias voltage that is positive with respect to the first group III nitride semiconductor layer is applied to the gate electrode, in the second group III nitride semiconductor layer, in a region near the gate insulating film facing the gate electrode. Electrons are induced in the region (channel region), and an inversion channel is formed. Through this inversion channel, the first and third group III nitride semiconductor layers conduct, and therefore the source-drain conduct. In this way, the source-drain conducts when an appropriate bias is applied to the gate electrode, while the source-drain is cut off when no bias is applied to the gate electrode. That is, a normally-off operation is realized.

なお、第1および第3III族窒化物半導体層をP型とし、第2III族窒化物半導体層をN型としてPチャネル型電界効果トランジスタを構成する場合は、バイアス電圧の極性が逆となるが、前述の場合と類似の動作となる。
また、請求項2に記載されているように、窒化物半導体結晶成長基板は、基層の主面に形成され、基層の主面の一部を露出させる開口部を有する絶縁膜を備え、窒化物半導体積層構造部が、その開口部から絶縁膜上に至る領域に形成されている構成であってもよい。
Note that when the first and third group III nitride semiconductor layers are P-type and the second group III nitride semiconductor layer is N-type to form a P-channel field effect transistor, the polarity of the bias voltage is reversed. The operation is similar to that described above.
According to a second aspect of the present invention, the nitride semiconductor crystal growth substrate includes an insulating film formed on the main surface of the base layer and having an opening that exposes a part of the main surface of the base layer. The semiconductor stacked structure may be formed in a region extending from the opening to the insulating film.

また、請求項3に記載されているように、窒化物半導体結晶成長基板は、基層の主面を掘り下げることにより形成された凹部を有し、窒化物半導体積層構造部が、凹部内を含む基層の主面上に形成されている構成であってもよい。
また、請求項4に記載されているように、窒化物半導体結晶成長基板の基層は、III族窒化物半導体からなる半導体基層を含んでいてもよいし、請求項5に記載されているように、III族窒化物半導体とは異なる材料からなる基板を含んでいてもよい。さらにまた、請求項6に記載されているように、窒化物半導体結晶成長基板の基層は、III族窒化物半導体とは異なる材料からなる基板と、その基板に積層されるバッファ層とを含んでいてもよい。基板の上にバッファ層を積層することにより、このバッファ層の上に窒化物半導体積層構造部を良好に再成長させることができる。
In addition, as described in claim 3, the nitride semiconductor crystal growth substrate has a recess formed by digging down the main surface of the base layer, and the nitride semiconductor multilayer structure includes the base layer including the inside of the recess. The structure currently formed on the main surface of this may be sufficient.
In addition, as described in claim 4, the base layer of the nitride semiconductor crystal growth substrate may include a semiconductor base layer made of a group III nitride semiconductor, or as described in claim 5. A substrate made of a material different from that of the group III nitride semiconductor may be included. Furthermore, as described in claim 6, the base layer of the nitride semiconductor crystal growth substrate includes a substrate made of a material different from that of the group III nitride semiconductor, and a buffer layer stacked on the substrate. May be. By laminating the buffer layer on the substrate, the nitride semiconductor multilayer structure can be favorably regrown on the buffer layer.

また、請求項7記載の発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板と、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の前記露出面に跨るように形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2III族窒化物半導体層に対向するように形成されたゲート電極と、前記第1および第3III族窒化物半導体層の一方と電気的に接続されたソース電極と、前記第1および第3III族窒化物半導体層の他方と電気的に接続されたドレイン電極と、を含む窒化物半導体素子である。この構成により、上述した効果を奏する横型のMIS(Metal Insulator Semiconductor)型電界効果トランジスタを実現することができる。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the nitride semiconductor crystal growth substrate according to any one of the first to sixth aspects, and the exposed surfaces of the first, second, and third group III nitride semiconductor layers. A gate insulating film formed so as to straddle; a gate electrode formed so as to face the second group III nitride semiconductor layer with the gate insulating film interposed therebetween; and the first and third group III nitride semiconductor layers A nitride semiconductor device including a source electrode electrically connected to one side and a drain electrode electrically connected to the other of the first and third group III nitride semiconductor layers. With this configuration, a lateral MIS (Metal Insulator Semiconductor) field effect transistor having the above-described effects can be realized.

また、請求項8記載の発明は、前記基層が導電性材料からなる導電性基板を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板と、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の前記露出面に跨るように形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2III族窒化物半導体層に対向するように形成されたゲート電極と、前記導電性基板および前記第3窒化物半導体層の一方と電気的に接続されたソース電極と、前記導電性基板および前記第3窒化物半導体層の他方と電気的に接続されたドレイン電極と、を含む窒化物半導体素子である。この構成によっても、上述した効果を奏する横型のMIS(Metal Insulator Semiconductor)型電界効果トランジスタを実現することができる。   The invention according to claim 8 is the nitride semiconductor crystal growth substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the base layer includes a conductive substrate made of a conductive material; A gate insulating film formed to straddle the exposed surfaces of the second and third group III nitride semiconductor layers, and a gate electrode formed to face the second group III nitride semiconductor layer with the gate insulating film interposed therebetween A source electrode electrically connected to one of the conductive substrate and the third nitride semiconductor layer, and a drain electrode electrically connected to the other of the conductive substrate and the third nitride semiconductor layer And a nitride semiconductor device. Also with this configuration, a lateral MIS (Metal Insulator Semiconductor) field effect transistor having the above-described effects can be realized.

また、請求項9記載の発明は、基板上にIII族窒化物半導体からなる半導体基層を成長させる半導体基層成長工程と、積層界面が前記半導体基層の主面と斜めに交差するように、第1導電型の第1III族窒化物半導体層、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2III族窒化物半導体層、および前記第1導電型の第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面側から順に積層形成する積層形成工程と、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面に平行な方向に沿って研磨することにより、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の端面を露出させる研磨工程と、を含む、窒化物半導体結晶成長基板の製造方法である。   According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor base layer growth step for growing a semiconductor base layer made of a group III nitride semiconductor on a substrate, and a first step so that the stacked interface obliquely intersects the main surface of the semiconductor base layer. A first group III nitride semiconductor layer of conductivity type, a second group III nitride semiconductor layer of a second conductivity type different from the first conductivity type, and a third group III nitride semiconductor layer of the first conductivity type; By laminating the first, second and third group III nitride semiconductor layers in a direction parallel to the main surface of the semiconductor base layer, by laminating and forming the layers in order from the main surface side of the base layer, And a polishing step for exposing end faces of the first, second and third group III nitride semiconductor layers.

この方法により、請求項1に記載されている構造の窒化物半導体結晶成長基板を製造することができる。また、半導体基層を結晶成長させることにより窒化物半導体積層構造部を形成するので、たとえば、請求項7および請求項8に記載されているような窒化物半導体素子を製造する場合においては、第2III族窒化物半導体層の層厚、すなわち、チャネル領域の長さなどを高精度に制御することができる。さらに、各半導体層をエッチングする工程を必要としないので、各半導体層に物理的ダメージを与えることなく窒化物半導体素子を製造することができる。   By this method, the nitride semiconductor crystal growth substrate having the structure described in claim 1 can be manufactured. In addition, since the nitride semiconductor multilayer structure is formed by crystal growth of the semiconductor base layer, for example, in the case of manufacturing a nitride semiconductor device as described in claim 7 and claim 8, The layer thickness of the group nitride semiconductor layer, that is, the length of the channel region can be controlled with high accuracy. Furthermore, since a step of etching each semiconductor layer is not required, a nitride semiconductor element can be manufactured without physically damaging each semiconductor layer.

また、請求項10記載の発明は、前記半導体基層成長工程の後、前記半導体基層の主面に、前記半導体基層の主面の一部を露出させる開口部を有する所定パターンの絶縁膜マスクを形成するマスク形成工程をさらに含み、前記積層形成工程は、前記絶縁膜マスクをマスクとして前記開口部からIII族窒化物半導体を成長させることにより、前記開口部から前記絶縁膜マスク上に至る領域に、前記第1III族窒化物半導体層、前記第2III族窒化物半導体層、および前記第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面側から順に積層形成する工程を含む、請求項9記載の窒化物半導体結晶成長基板の製造方法である。この方法により、請求項2に記載されている構造の窒化物半導体結晶成長基板を製造することができる。   According to a tenth aspect of the present invention, after the semiconductor base layer growth step, an insulating film mask having a predetermined pattern having an opening exposing a part of the main surface of the semiconductor base layer is formed on the main surface of the semiconductor base layer. A step of forming a mask, and the step of forming the stack includes growing a group III nitride semiconductor from the opening using the insulating film mask as a mask, to a region extending from the opening to the insulating film mask. 10. The method according to claim 9, further comprising: laminating the first group III nitride semiconductor layer, the second group III nitride semiconductor layer, and the third group III nitride semiconductor layer in order from the main surface side of the semiconductor base layer. This is a method for manufacturing a nitride semiconductor crystal growth substrate. By this method, a nitride semiconductor crystal growth substrate having the structure described in claim 2 can be manufactured.

また、請求項11記載の発明は、前記半導体基層成長工程の後、前記半導体基層の主面を掘り下げることにより、前記半導体基層の主面に凹部を形成する凹部形成工程をさらに含み、前記積層形成工程は、前記凹部内の主面を含む前記半導体基層の主面からIII族窒化物半導体を成長させることにより、前記半導体基層の主面上に、前記第1III族窒化物半導体層、前記第2III族窒化物半導体層、および前記第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面側から順に積層形成する工程を含む、請求項5記載の窒化物半導体結晶成長基板の製造方法である。この方法により、請求項3に記載されている構造の窒化物半導体結晶成長基板を製造することができる。   The invention according to claim 11 further includes a recess forming step of forming a recess in the main surface of the semiconductor base layer by digging down the main surface of the semiconductor base layer after the semiconductor base layer growth step, In the step, a group III nitride semiconductor is grown from the main surface of the semiconductor base layer including the main surface in the recess, whereby the first group III nitride semiconductor layer, the second III are formed on the main surface of the semiconductor base layer. 6. The method for producing a nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 5, comprising a step of stacking a group nitride semiconductor layer and the third group III nitride semiconductor layer in order from the main surface side of the semiconductor base layer. By this method, the nitride semiconductor crystal growth substrate having the structure described in claim 3 can be manufactured.

また、請求項12記載の発明は、前記窒化物半導体結晶成長基板を、500℃〜1100℃で熱処理する工程をさらに含む、請求項9〜11のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板の製造方法である。
この構成によれば、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の端面を露出させる研磨工程が行なわれた後の窒化物半導体結晶成長基板が、500℃〜1100℃で熱処理される。たとえば、研磨工程を化学的機械研磨法により行ない、その後、上記した熱処理を行なえば、ドライエッチング(異方性エッチング)により研磨工程を行なう場合に比べて、研磨後の端面に残るダメージを少なくすることができ、良好な状態の端面にすることができる。
Moreover, invention of Claim 12 further includes the process of heat-processing the said nitride semiconductor crystal growth substrate at 500 to 1100 degreeC, The nitride semiconductor crystal growth as described in any one of Claims 9-11 A method for manufacturing a substrate.
According to this configuration, the nitride semiconductor crystal growth substrate after the polishing step for exposing the end faces of the first, second, and third group III nitride semiconductor layers is performed at 500 ° C. to 1100 ° C. . For example, if the polishing step is performed by a chemical mechanical polishing method and then the above-described heat treatment is performed, damage remaining on the end face after polishing is reduced as compared with the case where the polishing step is performed by dry etching (anisotropic etching). It is possible to make the end face in a good state.

さらに、請求項13に記載されているように、研磨工程は、化学的機械研磨法により行なってもよい。   Furthermore, as described in claim 13, the polishing step may be performed by a chemical mechanical polishing method.

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態に係る電界効果トランジスタ(窒化物半導体素子)の構造を説明するための図解的な断面図である。
この電界効果トランジスタは、横型構造のMIS型電界効果トランジスタであって、基板1と、この基板1の上に成長させられたGaN膜2(半導体基層)と、このGaN膜2の主面2Aに形成され、この主面2Aの一部を露出させる開口部3を有する絶縁膜マスク4(絶縁膜)と、この絶縁膜マスク4の開口部3から、絶縁膜マスク4の上に至る領域に形成された窒化物半導体積層構造部5とを備えており、これらによって、GaN結晶成長基板16(窒化物半導体結晶成長基板)が構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a field effect transistor (nitride semiconductor element) according to a first embodiment of the present invention.
This field effect transistor is a lateral type MIS type field effect transistor, which is formed on a substrate 1, a GaN film 2 (semiconductor base layer) grown on the substrate 1, and a main surface 2A of the GaN film 2. An insulating film mask 4 (insulating film) that is formed and has an opening 3 exposing a part of the main surface 2A, and a region extending from the opening 3 of the insulating film mask 4 to the insulating film mask 4 is formed. The nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is provided, and these constitute a GaN crystal growth substrate 16 (nitride semiconductor crystal growth substrate).

窒化物半導体積層構造部5は、積層界面がGaN膜2の主面2Aと斜めに交差するように、GaN膜2の主面2A側から順に積層された、N型GaN層6(第1III族窒化物半導体層)、P型GaN層7(第2III族窒化物半導体層)およびN型GaN層8(第3III族窒化物半導体層)を備えている。また、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8の各端面は、それぞれGaN膜2の主面2Aに平行な方向に沿って露出する露出面61、露出面71および露出面81となっている。   The nitride semiconductor multilayer structure portion 5 includes an N-type GaN layer 6 (first group III) stacked in order from the main surface 2A side of the GaN film 2 so that the stack interface obliquely intersects the main surface 2A of the GaN film 2. A nitride semiconductor layer), a P-type GaN layer 7 (Group III nitride semiconductor layer), and an N-type GaN layer 8 (Group III nitride semiconductor layer). Further, the end faces of the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 8 are exposed surfaces 61, exposed surfaces 71, and exposed exposed along directions parallel to the main surface 2A of the GaN film 2, respectively. A surface 81 is formed.

基板1としては、たとえば、GaN基板、ZnO基板、Si基板、GaAs基板およびSiC基板などの導電性基板、サファイア基板などの絶縁性基板など、III族窒化物半導体とは異なる材料からなる基板を適用することができる。
GaN膜2は、InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表されるIII族窒化物半導体系化合物の一例であり、基板1に積層されるバッファ層としての機能を有している。また、GaN膜2には、ドーパント(N型またはP型)が含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。このGaN膜2を基板1の上に積層することにより、GaN膜2の上に窒化物半導体積層構造部5を良好に再成長させることができる。
As the substrate 1, for example, a substrate made of a material different from the group III nitride semiconductor, such as a conductive substrate such as a GaN substrate, a ZnO substrate, a Si substrate, a GaAs substrate and a SiC substrate, or an insulating substrate such as a sapphire substrate, is applied. can do.
GaN film 2 is an example of a In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) III -nitride semiconductor compound represented by the substrate 1 has a function as a buffer layer stacked on one. Further, the GaN film 2 may or may not contain a dopant (N-type or P-type). By laminating the GaN film 2 on the substrate 1, the nitride semiconductor multilayer structure 5 can be favorably regrown on the GaN film 2.

基板1としてGaN基板を用い、その表面にGaN膜2を形成すると、基板1とGaN膜2との格子定数が整合するので、GaN膜2の結晶欠陥が少なくなる。そのため、GaN膜2の主面2Aに、さらにN型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8を順にエピタキシャル成長させれば、転位欠陥の少ない窒化物半導体積層構造部5を得ることができる。   When a GaN substrate is used as the substrate 1 and the GaN film 2 is formed on the surface thereof, the lattice constants of the substrate 1 and the GaN film 2 are matched, so that crystal defects in the GaN film 2 are reduced. Therefore, if the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN layer 8 are further epitaxially grown in order on the main surface 2A of the GaN film 2, the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 with few dislocation defects can be obtained. Can do.

絶縁膜マスク4は、たとえば、酸化物または窒化物を用いて構成することができる。より具体的には、酸化シリコン(SiO2)、酸化ガリウム(Ga23)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化スカンジウム(Sc23)および窒化シリコン(SiN)などを用いて構成することができる。
N型GaN層6の露出面61、P型GaN層7の露出面71およびN型GaN層8の露出面81には、これらの露出面に跨るようにゲート絶縁膜10が形成されており、このゲート絶縁膜10を挟んで、P型GaN層7に対向するようにゲート電極11が形成されている。
The insulating film mask 4 can be configured using, for example, an oxide or a nitride. More specifically, it may be configured using silicon oxide (SiO 2 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), silicon nitride (SiN), or the like. it can.
On the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6, the exposed surface 71 of the P-type GaN layer 7, and the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8, the gate insulating film 10 is formed so as to straddle these exposed surfaces. A gate electrode 11 is formed to face the P-type GaN layer 7 with the gate insulating film 10 interposed therebetween.

ゲート絶縁膜10としては、上記した絶縁膜マスク4と同様の絶縁材料を適用することができる。一方、ゲート電極11としては、たとえば、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、ニッケル−金合金(Ni−Au合金)、ニッケル−チタン−金合金(Ni−Ti−Au合金)、パラジウム−金合金(Pd−Au合金)、パラジウム−チタン−金合金(Pd−Ti−Au合金)、パラジウム−白金−金合金(Pd−Pt−Au合金)、ポリシリコンなどの導電性材料を適用することができる。   As the gate insulating film 10, an insulating material similar to that of the above-described insulating film mask 4 can be applied. On the other hand, examples of the gate electrode 11 include platinum (Pt), aluminum (Al), nickel-gold alloy (Ni-Au alloy), nickel-titanium-gold alloy (Ni-Ti-Au alloy), and palladium-gold alloy. A conductive material such as (Pd-Au alloy), palladium-titanium-gold alloy (Pd-Ti-Au alloy), palladium-platinum-gold alloy (Pd-Pt-Au alloy), or polysilicon can be applied. .

P型GaN層7においてゲート絶縁膜10付近の領域は、ゲート電極11に対向したチャネル領域12である。チャネル領域12には、ゲート電極11に適切なバイアス電圧が与えられることにより、N型GaN層6とN型GaN層8との間を導通させる反転チャネルが形成される。
窒化物半導体積層構造部5は、GaN膜2の上に、いわゆる横方向エピタキシャル成長(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)によって形成され、その後、たとえば、化学的機械研磨法(以下、CMP法と表記する。)などの研磨方法により研磨されている。より具体的には、N型GaN層6およびP型GaN層7は、いわゆる縦方向選択エピタキシャル成長によって形成され、N型GaN層8は、いわゆる横方向選択エピタキシャル成長によって形成され、その後研磨されている。
A region near the gate insulating film 10 in the P-type GaN layer 7 is a channel region 12 facing the gate electrode 11. In the channel region 12, an inversion channel is formed that conducts between the N-type GaN layer 6 and the N-type GaN layer 8 by applying an appropriate bias voltage to the gate electrode 11.
The nitride semiconductor multilayer structure 5 is formed on the GaN film 2 by so-called lateral epitaxial growth (ELO), and thereafter, for example, a chemical mechanical polishing method (hereinafter referred to as a CMP method). It is polished by a polishing method such as More specifically, the N-type GaN layer 6 and the P-type GaN layer 7 are formed by so-called longitudinal selective epitaxial growth, and the N-type GaN layer 8 is formed by so-called lateral selective epitaxial growth and then polished.

主面がc面(0001)の基板1を用いると、この基板1の上にエピタキシャル成長によって成長させられるGaN膜2は、やはりc面(0001)を主面として形成される。そして、開口部3から露出しているGaN膜2から、たとえば、r面(10-12)が安定となる条件でGaN系化合物半導体の結晶成長を行なうと、このGaN膜2の主面と斜めに交差して形成される窒化物半導体積層構造部5、つまり、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8は、r面(10-12)を主面として積層されることとなる。   When the substrate 1 having a c-plane (0001) as the main surface is used, the GaN film 2 grown by epitaxial growth on the substrate 1 is also formed with the c-plane (0001) as the main surface. When crystal growth of a GaN-based compound semiconductor is performed from the GaN film 2 exposed from the opening 3 under the condition that the r-plane (10-12) is stable, for example, the main surface of the GaN film 2 is inclined. N-type GaN layer 6, P-type GaN layer 7, and N-type GaN layer 8 are stacked with the r-plane (10-12) as the main surface. It will be.

なお、GaN膜2は、その主面2Aがr面(10-12)となるように基板1上に成長させられてもよい。この場合には、それに応じて、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8は、対応する結晶面を主面として積層されることになる。
そして、N型GaN層6の露出面61にソース電極13が設けられている。これにより、ソース電極13は、N型GaN層6と電気的に接続されることになる。また、N型GaN層8の露出面81にドレイン電極14が設けられている。これにより、ドレイン電極14は、N型GaN層8と電気的に接続されることになる。なお、ソース電極13をN型GaN層8の露出面81に設けてもよく、その場合には、ドレイン電極14は、N型GaN層6の露出面61に設けられる。つまり、ソース電極13がN型GaN層6およびN型GaN層8の一方と電気的に接続され、ドレイン電極14がN型GaN層6およびN型GaN層8の他方と接続される。
The GaN film 2 may be grown on the substrate 1 so that the main surface 2A is the r-plane (10-12). In this case, the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 8 are laminated with the corresponding crystal plane as the main surface.
The source electrode 13 is provided on the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6. As a result, the source electrode 13 is electrically connected to the N-type GaN layer 6. A drain electrode 14 is provided on the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8. As a result, the drain electrode 14 is electrically connected to the N-type GaN layer 8. The source electrode 13 may be provided on the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8, and in this case, the drain electrode 14 is provided on the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6. That is, the source electrode 13 is electrically connected to one of the N-type GaN layer 6 and the N-type GaN layer 8, and the drain electrode 14 is connected to the other of the N-type GaN layer 6 and the N-type GaN layer 8.

ソース電極13は、少なくともAlを含む金属で構成することが好ましく、たとえば、Ti−Al合金で構成することができる。ドレイン電極14もソース電極13と同様に、Alを含む金属で構成することが好ましく、たとえば、Ti−Al合金で構成することができる。Alを含む金属でソース電極13およびドレイン電極14を構成しておくことにより、配線層(図示せず)との良好なコンタクトをとることができる。その他、ソース電極13およびドレイン電極14は、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。   The source electrode 13 is preferably made of a metal containing at least Al. For example, the source electrode 13 can be made of a Ti—Al alloy. Similarly to the source electrode 13, the drain electrode 14 is preferably made of a metal containing Al. For example, the drain electrode 14 can be made of a Ti—Al alloy. By forming the source electrode 13 and the drain electrode 14 with a metal containing Al, good contact with a wiring layer (not shown) can be obtained. In addition, the source electrode 13 and the drain electrode 14 may be made of Mo or Mo compound (for example, molybdenum silicide), Ti or Ti compound (for example, titanium silicide), or W or W compound (for example, tungsten silicide). .

次に、この電界効果トランジスタの動作について説明する。
ソース電極13とドレイン電極14との間には、ドレイン電極14側が正となるバイアス電圧が与えられる。これにより、N型GaN層8とP型GaN層7との界面のPN接合には逆方向電圧が与えられ、その結果、N型GaN層6とN型GaN層8との間、すなわち、ソース−ドレイン間は、遮断状態となる。この状態で、ソース電極13とゲート電極11との間に、ゲート電極11側が正となる所定の電圧を与えると、P型GaN層7に対するバイアスがゲート電極11に与えられる。これにより、P型GaN層7のチャネル領域12には、電子が誘起されて、反転チャネルが形成される。この反転チャネルを介して、N型GaN層6とN型GaN層8との間が導通する。こうして、ソース−ドレイン間が導通することになる。すなわち、ゲート電極11に所定のバイアスを与えたときにソース−ドレイン間が導通し、ゲート電極11にバイアスを与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。このようにして、ノーマリーオフ動作が可能となる。
Next, the operation of this field effect transistor will be described.
A bias voltage that is positive on the drain electrode 14 side is applied between the source electrode 13 and the drain electrode 14. As a result, a reverse voltage is applied to the PN junction at the interface between the N-type GaN layer 8 and the P-type GaN layer 7, and as a result, between the N-type GaN layer 6 and the N-type GaN layer 8, that is, the source -The drain is cut off. In this state, when a predetermined voltage that is positive on the gate electrode 11 side is applied between the source electrode 13 and the gate electrode 11, a bias for the P-type GaN layer 7 is applied to the gate electrode 11. As a result, electrons are induced in the channel region 12 of the P-type GaN layer 7 to form an inversion channel. The N-type GaN layer 6 and the N-type GaN layer 8 are electrically connected via the inversion channel. Thus, conduction between the source and the drain is established. That is, when a predetermined bias is applied to the gate electrode 11, the source and the drain become conductive, and when no bias is applied to the gate electrode 11, the source and the drain are cut off. In this way, a normally-off operation is possible.

また、窒化物半導体積層構造部5がエピタキシャル成長によって形成されることにより、その内部に、図1に破線で示す転位欠陥15が発生した場合であっても、その転位欠陥15の方向と、ソース−ドレイン間で流れる電流の方向とが異なる(ほぼ垂直である)ため、電界効果トランジスタにおける漏れ電流(リーク電流)の発生を抑制することができる。   Further, since the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed by epitaxial growth, even if a dislocation defect 15 indicated by a broken line in FIG. 1 is generated therein, the direction of the dislocation defect 15 and the source − Since the direction of the current flowing between the drains is different (substantially perpendicular), the occurrence of leakage current (leakage current) in the field effect transistor can be suppressed.

図2A〜2Hは、図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。
図1の電界効果トランジスタを製造するに際しては、図2Aに示すように、まず、基板1の上に、横方向選択エピタキシャル成長法により、GaN膜2が形成される(半導体基層成長工程)。なお、GaN膜2をエピタキシャル成長させるときに、N型ドーパントを含める場合には、たとえばSiを用いればよく、P型ドーパントを含める場合には、たとえば、Mg、Cなどを用いればよい。
2A to 2H are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps.
When the field effect transistor of FIG. 1 is manufactured, as shown in FIG. 2A, a GaN film 2 is first formed on a substrate 1 by a lateral selective epitaxial growth method (semiconductor base layer growth step). When the GaN film 2 is epitaxially grown, Si may be used, for example, when an N-type dopant is included, and Mg, C, etc. may be used, for example, when a P-type dopant is included.

次に、図2Bに示すように、GaN膜2の上に、たとえば、プラズマ化学気相成長法(プラズマCVD法)により、絶縁膜マスク4の材料である絶縁膜材料17が積層される。そして、この絶縁膜材料17の上に、開口部3に対応する開口部18を有するフォトレジスト24が形成される。より具体的には、まず、絶縁膜材料17の全面にフォトレジスト24が塗布され、フォトリソグラフィによってパターニングされて、開口部3に対応する開口部18を有するフォトレジスト24が形成される。   Next, as shown in FIG. 2B, an insulating film material 17 that is a material of the insulating film mask 4 is stacked on the GaN film 2 by, for example, plasma chemical vapor deposition (plasma CVD method). Then, a photoresist 24 having an opening 18 corresponding to the opening 3 is formed on the insulating film material 17. More specifically, first, a photoresist 24 is applied to the entire surface of the insulating film material 17 and patterned by photolithography to form a photoresist 24 having an opening 18 corresponding to the opening 3.

次に、図2Cに示すように、開口部18から露出する絶縁膜材料17が、たとえば、ドライエッチングによってエッチングされ、残りの絶縁膜材料17の上に残存するフォトレジスト24が溶解除去させられる(マスク形成工程)。これにより、開口部3を有する絶縁膜マスク4が形成される。
次に、図2Dに示すように、開口部3から露出しているGaN膜2の主面2Aから、N型GaN層6が縦方向に選択的にエピタキシャル成長させられ、次いで、そのN型GaN層6の表面から、P型GaN層7が縦方向に選択的にエピタキシャル成長させられる。
Next, as shown in FIG. 2C, the insulating film material 17 exposed from the opening 18 is etched by, for example, dry etching, and the photoresist 24 remaining on the remaining insulating film material 17 is dissolved and removed ( Mask formation step). Thereby, the insulating film mask 4 having the opening 3 is formed.
Next, as shown in FIG. 2D, the N-type GaN layer 6 is selectively epitaxially grown in the vertical direction from the main surface 2A of the GaN film 2 exposed from the opening 3, and then the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 is selectively epitaxially grown in the vertical direction.

より具体的には、GaN系化合物半導体が縦方向に成長しやすい条件(成長温度およびチャンバ内圧力など)で、GaN膜2の露出部分を核として、GaN系化合物半導体の結晶を成長させる。これにより、開口部3から露出しているGaN膜2から、開口部3のパターンに沿って延びる尾根形状のN型GaN層6が成長する。このN型GaN層6は、GaN膜2の主面2Aに対して傾斜した一対の傾斜面6A,6Bを有し、これらが開口部3のパターンに沿って延びる稜線部6Cを形成している。このとき、傾斜面6A,6BはGaN系化合物半導体結晶のr面となっている。つまり、r面が安定となる条件でGaN系化合物半導体の結晶成長を行なうことにより、N型GaN層6の縦方向選択エピタキシャル成長が可能になる。なお、N型GaN層6をエピタキシャル成長させるときのN型ドーパントとしては、たとえば、Siを用いればよい。   More specifically, a crystal of the GaN-based compound semiconductor is grown using the exposed portion of the GaN film 2 as a nucleus under conditions (growth temperature, pressure in the chamber, etc.) that allow the GaN-based compound semiconductor to grow in the vertical direction. As a result, a ridge-shaped N-type GaN layer 6 extending along the pattern of the opening 3 is grown from the GaN film 2 exposed from the opening 3. The N-type GaN layer 6 has a pair of inclined surfaces 6A and 6B inclined with respect to the main surface 2A of the GaN film 2, and these form a ridge line portion 6C extending along the pattern of the opening 3. . At this time, the inclined surfaces 6A and 6B are r-planes of the GaN-based compound semiconductor crystal. That is, by performing crystal growth of the GaN-based compound semiconductor under the condition that the r-plane is stable, the N-type GaN layer 6 can be selectively grown in the vertical direction. For example, Si may be used as an N-type dopant when the N-type GaN layer 6 is epitaxially grown.

そして、P型GaN層7についても、N型GaN層6の場合と同様の方法により、GaN系化合物半導体の結晶成長を行なうことにより、P型GaN層7の縦方向選択エピタキシャル成長が可能になる。なお、P型GaN層7をエピタキシャル成長させるときのP型ドーパントとしては、たとえば、Mg、Cなどを用いればよい。
次に、図2Eに示すように、P型GaN層7から、GaN系半導体層成長部19がGaN膜2の主面2Aに沿う横方向へと選択的にエピタキシャル成長させられる。なお、この実施形態では、図2Dおよび図2Eで示される工程が、この発明の積層形成工程に相当する。
Also for the P-type GaN layer 7, longitudinal selective epitaxial growth of the P-type GaN layer 7 becomes possible by performing crystal growth of the GaN-based compound semiconductor by the same method as that for the N-type GaN layer 6. For example, Mg or C may be used as the P-type dopant when the P-type GaN layer 7 is epitaxially grown.
Next, as shown in FIG. 2E, the GaN-based semiconductor layer growth portion 19 is selectively epitaxially grown from the P-type GaN layer 7 in the lateral direction along the main surface 2 </ b> A of the GaN film 2. In this embodiment, the process shown in FIGS. 2D and 2E corresponds to the lamination forming process of the present invention.

より具体的には、GaN系化合物半導体が横方向に成長しやすい条件(成長温度およびチャンバ内圧力など)で、P型GaN層7からの結晶成長を行う。これにより、尾根形状のP型GaN層7からGaN系半導体層成長部19が横方向に成長し、平坦な頂面を有するGaN系半導体層成長部19が複数形成された状態を経て、図2Fに示すように、さらにこれら複数のGaN系半導体層成長部19の隣接するもの同士が接合して、一体化したN型GaN層8が得られる。なお、N型GaN層8をエピタキシャル成長させるときのN型ドーパントとしては、たとえば、Siを用いればよい。   More specifically, crystal growth from the P-type GaN layer 7 is performed under conditions (growth temperature, pressure in the chamber, etc.) where the GaN-based compound semiconductor is likely to grow in the lateral direction. As a result, the GaN-based semiconductor layer growth portion 19 grows laterally from the ridge-shaped P-type GaN layer 7 and a plurality of GaN-based semiconductor layer growth portions 19 having a flat top surface are formed. As shown in FIG. 5, the adjacent ones of the plurality of GaN-based semiconductor layer growth portions 19 are joined together to obtain an integrated N-type GaN layer 8. For example, Si may be used as the N-type dopant when epitaxially growing the N-type GaN layer 8.

このようにして得られるN型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8は、GaN膜2からの転位を受け継ぐので、図2Fに破線で示すように、その内部に転位欠陥15が生じる。
次に、図2Gに示すように、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8が、GaN膜2の主面2Aに平行な方向に沿って、CMP法により研磨されて(研磨工程)、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8の各端面が同一平面上となるように平坦化される。各端面が平坦化されることにより、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8の各端面が、それぞれGaN膜2の主面2Aに平行な方向に沿って露出する露出面61、露出面71および露出面81となり、窒化物半導体積層構造部5が得られる。これにより、GaN結晶成長基板16が得られる。
Since the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN layer 8 obtained in this way inherit the dislocations from the GaN film 2, dislocation defects 15 are present in the inside thereof as indicated by broken lines in FIG. 2F. Occurs.
Next, as shown in FIG. 2G, the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 8 are polished by a CMP method along a direction parallel to the main surface 2A of the GaN film 2. (Polishing step), the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 8 are planarized so that the end faces are on the same plane. Each end face is flattened so that the end faces of the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN layer 8 are exposed along a direction parallel to the main surface 2A of the GaN film 2, respectively. The surface 61, the exposed surface 71, and the exposed surface 81 are formed, and the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is obtained. Thereby, the GaN crystal growth substrate 16 is obtained.

その後、このGaN結晶成長基板16が、たとえば、N2雰囲気下500℃〜1100℃の温度で熱処理される。N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8をCMP法により研磨した後、上記した熱処理を行なうことにより、たとえば、ドライエッチング(異方性エッチング)により研磨を行なう場合に比べて、研磨後の各露出面(61、71、81)に残るダメージを少なくすることができ、良好な状態の露出面にすることができる。 Thereafter, the GaN crystal growth substrate 16 is heat-treated at a temperature of 500 ° C. to 1100 ° C., for example, in an N 2 atmosphere. The N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN layer 8 are polished by the CMP method and then subjected to the heat treatment described above, for example, compared with the case of polishing by dry etching (anisotropic etching). Thus, damage remaining on each exposed surface (61, 71, 81) after polishing can be reduced, and an exposed surface in a good state can be obtained.

そして、図2Hに示すように、N型GaN層6の露出面61、P型GaN層7の露出面71およびN型GaN層8の露出面81に跨るようにゲート絶縁膜10が形成され、このゲート絶縁膜10を挟んで、P型GaN層7に対向するようにゲート電極11が形成される。また、N型GaN層6の露出面61にソース電極13が形成され、N型GaN層8の露出面81にドレイン電極14が形成されることにより、図1に示す構造の電界効果トランジスタを得ることができる。   Then, as shown in FIG. 2H, the gate insulating film 10 is formed so as to straddle the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6, the exposed surface 71 of the P-type GaN layer 7, and the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8. A gate electrode 11 is formed to face the P-type GaN layer 7 with the gate insulating film 10 interposed therebetween. Further, the source electrode 13 is formed on the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6 and the drain electrode 14 is formed on the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8, thereby obtaining the field effect transistor having the structure shown in FIG. be able to.

なお、窒化物半導体積層構造部5を形成するためのエピタキシャル成長法としては、液相エピタキシャル成長、気相エピタキシャル成長または分子線エピタキシャル成長のいずれの方法が適用されてもよい。
また、基板1上にストライプ状に形成された複数の窒化物半導体積層構造部5は、それぞれ単位セルを形成している。複数の窒化物半導体積層構造部5のゲート電極11、ソース電極13およびドレイン電極14は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極14は、隣接する窒化物半導体積層構造部5間で共有することができる。
As an epitaxial growth method for forming the nitride semiconductor multilayer structure portion 5, any of liquid phase epitaxial growth, vapor phase epitaxial growth, or molecular beam epitaxial growth may be applied.
Each of the plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5 formed in a stripe shape on the substrate 1 forms a unit cell. The gate electrode 11, the source electrode 13, and the drain electrode 14 of the plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5 are commonly connected at positions not shown. The drain electrode 14 can be shared between adjacent nitride semiconductor multilayer structures 5.

以上のように、この実施形態によれば、GaN結晶成長基板16の窒化物半導体積層構造部5の各積層界面が、GaN膜2の主面2Aと斜めに交差する構造とされている。たとえば、主面2Aがc面(0001)である場合には、窒化物半導体積層構造部5の積層界面は、r面(10-12)となる。そのため、このような構造を成すGaN結晶成長基板16を用いて形成される、この実施形態に係る電界効果トランジスタは、ノーマリーオフ動作、すなわち、ゲート電極11にバイアスを印加しないときにソース−ドレイン間をオフ状態とする動作を、容易に実現することができる。   As described above, according to this embodiment, each of the stacked interfaces of the nitride semiconductor stacked structure portion 5 of the GaN crystal growth substrate 16 has a structure that obliquely intersects the main surface 2A of the GaN film 2. For example, when the main surface 2A is the c-plane (0001), the stacked interface of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is the r-plane (10-12). Therefore, the field effect transistor according to this embodiment formed using the GaN crystal growth substrate 16 having such a structure has a normally-off operation, that is, a source-drain when no bias is applied to the gate electrode 11. The operation of turning off the gap can be easily realized.

また、GaNなどのIII族窒化物半導体によって電界効果トランジスタを構成していることにより、シリコン半導体を用いたデバイスに比較して、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび小オン抵抗といった特徴を享受することができる。特に、高耐圧で低損失な動作が可能であるから、良好なパワーデバイスを実現することができる。 さらに、GaN膜2から結晶成長させることにより窒化物半導体積層構造部5を形成するので、P型GaN層7の層厚、すなわち、チャネル領域12の長さなどを高精度に制御することができる。さらに、各GaN層(6、7、8)をエッチングする工程を必要としないので、各GaN層(6、7、8)に物理的ダメージを与えることなく電界効果トランジスタを製造することができる。   In addition, because field effect transistors are composed of group III nitride semiconductors such as GaN, compared to devices using silicon semiconductors, high breakdown voltage, high temperature operation, large current density, high speed switching, and small on-resistance You can enjoy the features. In particular, since a high voltage and low loss operation is possible, a good power device can be realized. Further, since the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed by crystal growth from the GaN film 2, the layer thickness of the P-type GaN layer 7, that is, the length of the channel region 12 can be controlled with high accuracy. . Further, since a step of etching each GaN layer (6, 7, 8) is not required, a field effect transistor can be manufactured without physically damaging each GaN layer (6, 7, 8).

図3は、この発明の第2の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。この図3において、前述の図1に対応する部分には、図1の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、GaN膜2の主面2A上に絶縁膜マスク4が形成されておらず、GaN膜2には、主面2AからGaN膜2の膜厚途中までエッチングすることにより、凹部20が形成されている。そして、この凹部20からGaN膜2の上に至る領域に窒化物半導体積層構造部5が形成されている。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 are attached to the portions corresponding to those in FIG.
In this embodiment, the insulating film mask 4 is not formed on the main surface 2A of the GaN film 2, and the GaN film 2 is etched from the main surface 2A to the middle of the film thickness of the GaN film 2, thereby forming the recess 20 Is formed. A nitride semiconductor multilayer structure 5 is formed in a region extending from the recess 20 to the GaN film 2.

窒化物半導体積層構造部5は、積層界面が断面W字状となるように、GaN膜2の主面2A側から順に積層された、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8を備えている。より具体的には、中央に配置されるP型GaN層7が断面W字形に形成され、このP型GaN層7の外側の領域にN型GaN層6が形成され、内側の領域にN型GaN層8が形成されており、平面視では、N型GaN層6、P型GaN層7、N型GaN層8、P型GaN層7およびN型GaN層6が順にストライプ状となるように形成されている。窒化物半導体積層構造部5がこのように形成されているため、窒化物半導体積層構造部5の各積層界面は、GaN膜2の主面2Aに対して傾斜している。   The nitride semiconductor multilayer structure unit 5 includes an N-type GaN layer 6, a P-type GaN layer 7, and an N-type GaN that are sequentially laminated from the main surface 2A side of the GaN film 2 so that the lamination interface has a W-shaped cross section. Layer 8 is provided. More specifically, a P-type GaN layer 7 disposed in the center is formed in a W-shaped cross section, an N-type GaN layer 6 is formed in an outer region of the P-type GaN layer 7, and an N-type is formed in an inner region. A GaN layer 8 is formed, and in plan view, the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, the N-type GaN layer 8, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 6 are in the form of stripes in order. Is formed. Since the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed in this way, each multilayer interface of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is inclined with respect to the main surface 2A of the GaN film 2.

たとえば、上述したように、GaN膜2を、c面(0001)を主面として形成した後、このGaN膜2から、たとえば、r面(10-12)が安定となる条件でGaN系化合物半導体の結晶成長を行なうと、N型GaN層6とP型GaN層7との積層界面(7A、7B、7Cおよび7D)はr面(10-12)となり、P型GaN層7とN型GaN層8との積層界面(8A、8B、8Cおよび8D)も、やはりr面(10-12)となる。   For example, as described above, after the GaN film 2 is formed with the c-plane (0001) as the main surface, the GaN-based compound semiconductor is formed from the GaN film 2 under the condition that, for example, the r-plane (10-12) is stable. When the crystal growth is performed, the stacked interface (7A, 7B, 7C and 7D) between the N-type GaN layer 6 and the P-type GaN layer 7 becomes the r plane (10-12), and the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN The laminated interfaces (8A, 8B, 8C and 8D) with the layer 8 are also r-planes (10-12).

そして、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8の各端面は、それぞれGaN膜2の主面2Aに平行な方向に沿って露出する露出面61、露出面71および露出面81となっている。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様である。この構成によっても、前述の第1の実施形態と同様な動作が可能であり、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。   The respective end faces of the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 8 are exposed surfaces 61, exposed surfaces 71, and exposed exposed along directions parallel to the main surface 2A of the GaN film 2, respectively. A surface 81 is formed. Other configurations are the same as those in the first embodiment. Also with this configuration, the same operation as in the first embodiment described above is possible, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

図4A〜4Hは、図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。
図3の電界効果トランジスタを製造するに際しては、図4Aに示すように、まず、基板1の上に、横方向選択エピタキシャル成長法により、GaN膜2が形成される(半導体基層成長工程)。
4A to 4H are schematic sectional views showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 3 in the order of steps.
When the field effect transistor of FIG. 3 is manufactured, as shown in FIG. 4A, first, the GaN film 2 is formed on the substrate 1 by a lateral selective epitaxial growth method (semiconductor base layer growth step).

次に、図4Bに示すように、GaN膜2の上に、凹部20に対応する開口部21を有するフォトレジスト22が形成される。より具体的には、まず、GaN膜2の全面にフォトレジスト22が塗布され、フォトリソグラフィによってパターニングされて、凹部20に対応する開口部21を有するフォトレジスト22が形成される。
次に、図4Cに示すように、開口部21から露出するGaN膜2が、たとえば、ドライエッチングによってエッチングされ、残りのGaN膜2の上に残存するフォトレジスト22が溶解除去させられる(凹部形成工程)。これにより、凹部20を有するGaN膜2が形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, a photoresist 22 having an opening 21 corresponding to the recess 20 is formed on the GaN film 2. More specifically, first, a photoresist 22 is applied to the entire surface of the GaN film 2 and patterned by photolithography to form a photoresist 22 having an opening 21 corresponding to the recess 20.
Next, as shown in FIG. 4C, the GaN film 2 exposed from the opening 21 is etched, for example, by dry etching, and the photoresist 22 remaining on the remaining GaN film 2 is dissolved and removed (recess formation). Process). Thereby, the GaN film 2 having the recess 20 is formed.

次に、図4Dに示すように、凹部20を含むGaN膜2の主面2Aから、N型GaN層6が縦方向に選択的にエピタキシャル成長させられる。このとき、凹部20が形成されている主面2Aからは、凹部20のパターンに沿って延びる相対的に低い尾根形状のN型GaN層6が成長する。この低い尾根形状のN型GaN層6は、GaN膜2の主面2Aに対して傾斜した一対の傾斜面7B,7Cを有している。一方、凹部20が形成されていない主面2Aからは、相対的に高い尾根形状のN型GaN層6が成長する。この高い尾根形状のN型GaN層6は、GaN膜2の主面2Aに対して傾斜した一対の傾斜面7A,7Dを有している。そして、N型GaN層6が成長させられた後、そのN型GaN層6の表面から、P型GaN層7が縦方向に選択的にエピタキシャル成長させられる。   Next, as shown in FIG. 4D, the N-type GaN layer 6 is selectively epitaxially grown in the vertical direction from the main surface 2A of the GaN film 2 including the recess 20. At this time, a relatively low ridge-shaped N-type GaN layer 6 extending along the pattern of the recess 20 grows from the main surface 2A where the recess 20 is formed. The low ridge-shaped N-type GaN layer 6 has a pair of inclined surfaces 7B and 7C inclined with respect to the main surface 2A of the GaN film 2. On the other hand, a relatively high ridge-shaped N-type GaN layer 6 grows from the main surface 2A where the recess 20 is not formed. The high ridge-shaped N-type GaN layer 6 has a pair of inclined surfaces 7A and 7D inclined with respect to the main surface 2A of the GaN film 2. Then, after the N-type GaN layer 6 is grown, the P-type GaN layer 7 is selectively epitaxially grown in the vertical direction from the surface of the N-type GaN layer 6.

P型GaN層7についても、N型GaN層6と同様に、相対的に低い尾根形状の層と相対的に高い尾根形状の層が成長する。また、相対的に低い尾根形状のP型GaN層7は、GaN膜2の主面2Aに対して傾斜した一対の傾斜面8B,8Cを有しており、相対的に高い尾根形状のP型GaN層7は、GaN膜2の主面2Aに対して傾斜した一対の傾斜面8A,8Dを有している。   Similarly to the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 also grows a relatively low ridge shape layer and a relatively high ridge shape layer. The relatively low ridge-shaped P-type GaN layer 7 has a pair of inclined surfaces 8B and 8C that are inclined with respect to the main surface 2A of the GaN film 2, and has a relatively high ridge-shaped P-type. The GaN layer 7 has a pair of inclined surfaces 8A and 8D that are inclined with respect to the main surface 2A of the GaN film 2.

次に、図4Eに示すように、P型GaN層7から、GaN系半導体層成長部23がGaN膜2の主面2Aに沿う横方向へと選択的にエピタキシャル成長させられる。なお、この実施形態では、図4Dおよび図4Eで示される工程が、この発明の積層形成工程に相当する。そして、平坦な頂面を有するGaN系半導体層成長部23が複数形成された状態を経て、図4Fに示すように、さらにこれら複数のGaN系半導体層成長部23の隣接するもの同士が接合して、一体化したN型GaN層8が得られる。このようにして得られるN型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8は、GaN膜2からの転位を受け継ぐので、図4Fに破線で示すように、その内部に転位欠陥15が生じる。   Next, as shown in FIG. 4E, the GaN-based semiconductor layer growth portion 23 is selectively epitaxially grown in the lateral direction along the main surface 2A of the GaN film 2 from the P-type GaN layer 7. In this embodiment, the steps shown in FIG. 4D and FIG. 4E correspond to the layer forming step of the present invention. Then, after a plurality of GaN-based semiconductor layer growth portions 23 having a flat top surface are formed, adjacent ones of the plurality of GaN-based semiconductor layer growth portions 23 are joined together as shown in FIG. 4F. Thus, an integrated N-type GaN layer 8 is obtained. The N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN layer 8 obtained in this way inherit dislocations from the GaN film 2. Therefore, as shown by the broken line in FIG. Occurs.

次に、図4Gに示すように、N型GaN層8の表面側からP型GaN層7の相対的に低い尾根部分に達しない深さまで、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8が、GaN膜2の主面2Aに平行な方向に沿って、CMP法により研磨されて(研磨工程)、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8の各端面が同一平面上となるように平坦化される。各端面が平坦化されることにより、N型GaN層6、P型GaN層7およびN型GaN層8の各端面が、それぞれGaN膜2の主面2Aに平行な方向に沿って露出する露出面61、露出面71および露出面81となり、窒化物半導体積層構造部5が得られる。これにより、GaN結晶成長基板16が得られる。その後、このGaN結晶成長基板16が、たとえば、N2雰囲気下500℃〜1100℃の温度で熱処理される。 Next, as shown in FIG. 4G, the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7, and the N-type GaN layer 8 are formed from the surface side of the N-type GaN layer 8 to a depth that does not reach the relatively low ridge portion of the P-type GaN layer 7. The type GaN layer 8 is polished by the CMP method along the direction parallel to the main surface 2A of the GaN film 2 (polishing step), and the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN layer 8 are polished. It planarizes so that each end surface may become on the same plane. Each end face is flattened so that the end faces of the N-type GaN layer 6, the P-type GaN layer 7 and the N-type GaN layer 8 are exposed along a direction parallel to the main surface 2A of the GaN film 2, respectively. The surface 61, the exposed surface 71, and the exposed surface 81 are formed, and the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is obtained. Thereby, the GaN crystal growth substrate 16 is obtained. Thereafter, the GaN crystal growth substrate 16 is heat-treated at a temperature of 500 ° C. to 1100 ° C., for example, in an N 2 atmosphere.

そして、図4Hに示すように、N型GaN層6の露出面61、P型GaN層7の露出面71およびN型GaN層8の露出面81に跨るようにゲート絶縁膜10が形成され、このゲート絶縁膜10を挟んで、P型GaN層7に対向するようにゲート電極11が形成される。また、N型GaN層6の露出面61にソース電極13が形成され、N型GaN層8の露出面81にドレイン電極14が形成されることにより、図3に示す構造の電界効果トランジスタを得ることができる。   Then, as shown in FIG. 4H, the gate insulating film 10 is formed so as to straddle the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6, the exposed surface 71 of the P-type GaN layer 7, and the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8. A gate electrode 11 is formed to face the P-type GaN layer 7 with the gate insulating film 10 interposed therebetween. Further, the source electrode 13 is formed on the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6 and the drain electrode 14 is formed on the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8, thereby obtaining the field effect transistor having the structure shown in FIG. be able to.

また、基板1上にストライプ状に形成された複数の窒化物半導体積層構造部5は、それぞれ単位セルを形成している。複数の窒化物半導体積層構造部5のゲート電極11、ソース電極13およびドレイン電極14は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ソース電極13は、隣接する窒化物半導体積層構造部5間で共有することができる。
また、この実施形態においても、ソース電極13をN型GaN層8の露出面81に設けてもよい。その場合には、ドレイン電極14は、N型GaN層6の露出面61に設けられる。
Each of the plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5 formed in a stripe shape on the substrate 1 forms a unit cell. The gate electrode 11, the source electrode 13, and the drain electrode 14 of the plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5 are commonly connected at positions not shown. The source electrode 13 can be shared between adjacent nitride semiconductor multilayer structures 5.
Also in this embodiment, the source electrode 13 may be provided on the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8. In that case, the drain electrode 14 is provided on the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6.

図5は、この発明の第3の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。この図5において、前述の図1に示された各部に相当する部分には、図1の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、GaN膜2が設けられていない構成となっており、基板1の主面1Aには、この主面1Aの一部を露出させる開口部3を有する絶縁膜マスク4が形成されている。そして、窒化物半導体積層構造部5は、この絶縁膜マスク4の開口部3から、絶縁膜マスク4の上に至る領域に形成されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a field effect transistor according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, parts corresponding to the parts shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG.
In this embodiment, the GaN film 2 is not provided, and an insulating film mask 4 having an opening 3 exposing a part of the main surface 1A is formed on the main surface 1A of the substrate 1. ing. The nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed in a region extending from the opening 3 of the insulating film mask 4 to above the insulating film mask 4.

この実施形態によれば、GaN結晶成長基板16の窒化物半導体積層構造部5の各積層界面が、基板1の主面1Aと斜めに交差する構造とされている。たとえば、主面1Aがc面(0001)である場合には、窒化物半導体積層構造部5の積層界面は、r面(10-12)となる。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様である。この構成によっても、前述の第1の実施形態と同様な動作が可能であり、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。   According to this embodiment, each laminated interface of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 of the GaN crystal growth substrate 16 has a structure that obliquely intersects the main surface 1A of the substrate 1. For example, when the main surface 1A is the c-plane (0001), the stacked interface of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is the r-plane (10-12). Other configurations are the same as those in the first embodiment. Also with this configuration, the same operation as in the first embodiment described above is possible, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

この電界効果トランジスタは、図2A〜2Hを参照して説明した方法と類似の方法により作製することができる。この場合において、たとえば、図2Aに示す工程を省略し、図2Bに示す工程において、基板1の上に、絶縁膜材料17を積層し、この絶縁膜材料17の上にフォトレジスト24を形成する。そして、図2Cに示す工程において、フォトレジスト24を除去することにより、絶縁膜マスク4を形成した後、この絶縁膜マスク4の開口部3から窒化物半導体積層構造部5を成長させればよい。その他の工程については、前述の第1の実施形態の場合と同様である。   The field effect transistor can be manufactured by a method similar to the method described with reference to FIGS. In this case, for example, the step shown in FIG. 2A is omitted, and in the step shown in FIG. 2B, an insulating film material 17 is laminated on the substrate 1, and a photoresist 24 is formed on the insulating film material 17. . In the step shown in FIG. 2C, after the photoresist film 24 is removed to form the insulating film mask 4, the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 may be grown from the opening 3 of the insulating film mask 4. . Other processes are the same as those in the first embodiment.

図6は、この発明の第4の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。この図6において、前述の図1に示された各部に相当する部分には、図1の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、基板1が導電性を有する導電性基板25である構成となっている。導電性基板25としては、上述したように、たとえば、GaN基板、ZnO基板、Si基板、GaAs基板およびSiC基板などの基板を適用することができる。また、ソース電極13がN型GaN層6の露出面61の上に設けられておらず、導電性基板25の、GaN膜2が形成される側と反対側の表面25Aのほぼ全域を覆うように、ソース電極13が被着形成されている。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様である。この構成によっても、前述の第1の実施形態と同様な動作が可能であり、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a field effect transistor according to the fourth embodiment of the present invention. 6, parts corresponding to the respective parts shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
In this embodiment, the substrate 1 is a conductive substrate 25 having conductivity. As described above, for example, a substrate such as a GaN substrate, a ZnO substrate, a Si substrate, a GaAs substrate, or a SiC substrate can be used as the conductive substrate 25. Further, the source electrode 13 is not provided on the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6 so as to cover almost the entire region 25A of the conductive substrate 25 opposite to the side on which the GaN film 2 is formed. Further, the source electrode 13 is deposited. Other configurations are the same as those in the first embodiment. Also with this configuration, the same operation as in the first embodiment described above is possible, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

この電界効果トランジスタは、図2A〜2Hを参照して説明した方法と類似の方法により作製することができる。この場合において、基板1に代えて導電性基板25を用い、さらに、たとえば、図2Hで示す工程において、ソース電極13をN型GaN層6の露出面61に設けずに、導電性基板25の表面25Aに被着形成すればよい。その他の工程については、前述の第1の実施形態の場合と同様である。なお、電界効果トランジスタが複数形成される場合には、ソース電極13は、複数の窒化物半導体積層構造部5のすべてに対して共通の電極となる。また、ドレイン電極14を導電性基板25の表面25Aに被着形成してもよく、その場合には、ソース電極13は、N型GaN層8の露出面81に設けられる。つまり、ソース電極13が導電性基板25およびN型GaN層8の一方と電気的に接続され、ドレイン電極14が導電性基板25およびN型GaN層8の他方と接続される。   The field effect transistor can be manufactured by a method similar to the method described with reference to FIGS. In this case, the conductive substrate 25 is used in place of the substrate 1, and further, for example, in the step shown in FIG. 2H, the source electrode 13 is not provided on the exposed surface 61 of the N-type GaN layer 6, and the conductive substrate 25 It may be deposited on the surface 25A. Other processes are the same as those in the first embodiment. When a plurality of field effect transistors are formed, the source electrode 13 becomes a common electrode for all of the plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5. In addition, the drain electrode 14 may be formed on the surface 25 A of the conductive substrate 25, and in this case, the source electrode 13 is provided on the exposed surface 81 of the N-type GaN layer 8. That is, the source electrode 13 is electrically connected to one of the conductive substrate 25 and the N-type GaN layer 8, and the drain electrode 14 is connected to the other of the conductive substrate 25 and the N-type GaN layer 8.

図7は、この発明の第5の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。この図7において、前述の図1に示された各部に相当する部分には、図1の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、基板1が設けられていない構成となっている。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様である。この構成によっても、前述の第1の実施形態と同様な動作が可能であり、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a field effect transistor according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 7, portions corresponding to the respective portions shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
In this embodiment, the substrate 1 is not provided. Other configurations are the same as those in the first embodiment. Also with this configuration, the same operation as in the first embodiment described above is possible, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

この電界効果トランジスタは、図2A〜2Hを参照して説明した方法と類似の方法により作製することができる。この場合において、たとえば、図2Gに示す工程後にGaN結晶成長基板16を熱処理した後、基板1をレーザリフトオフ法、CMP(化学的機械的研磨)処理またはエッチング処理などの方法により、除去すればよい。その他の工程については、前述の第1の実施形態の場合と同様である。なお、この実施形態においても、第4の実施形態と同様に、ソース電極13またはドレイン電極14の一方が、GaN膜2の、窒化物半導体積層構造部5が成長させられる側と反対側の表面2Bのほぼ全域を覆うように被着形成されてもよい。   The field effect transistor can be manufactured by a method similar to the method described with reference to FIGS. In this case, for example, after the GaN crystal growth substrate 16 is heat-treated after the step shown in FIG. 2G, the substrate 1 may be removed by a method such as a laser lift-off method, a CMP (chemical mechanical polishing) process or an etching process. . Other processes are the same as those in the first embodiment. Also in this embodiment, as in the fourth embodiment, one of the source electrode 13 and the drain electrode 14 is a surface of the GaN film 2 opposite to the side on which the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is grown. It may be formed so as to cover almost the entire area of 2B.

以上、この発明の5つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、N型GaN層6およびN型GaN層8をそれぞれP型とし、P型GaN層7をN型としてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
As mentioned above, although five embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
For example, the N-type GaN layer 6 and the N-type GaN layer 8 may each be P-type, and the P-type GaN layer 7 may be N-type.
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.

この発明の第1の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。1 is an illustrative sectional view for explaining the structure of a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図2Aの次の工程を示す図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps, and showing the step subsequent to FIG. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図2Bの次の工程を示す図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps, and showing a step subsequent to FIG. 2B. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図2Cの次の工程を示す図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing the method for manufacturing the field-effect transistor of FIG. 1 in the order of steps, and showing a step subsequent to FIG. 2C. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図2Dの次の工程を示す図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps, and showing a step subsequent to FIG. 2D. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図2Eの次の工程を示す図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps, and showing a step subsequent to FIG. 2E. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図2Fの次の工程を示す図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps, and showing a step subsequent to FIG. 2F. 図1の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図2Gの次の工程を示す図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps, and showing a step subsequent to FIG. 2G. この発明の第2の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。It is an illustration sectional view for explaining the structure of the field effect transistor concerning a 2nd embodiment of this invention. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 3 in the order of steps. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図4Aの次の工程を示す図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図4Bの次の工程を示す図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図4Cの次の工程を示す図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the method for manufacturing the field-effect transistor of FIG. 3 in the order of steps, and is a diagram showing a step subsequent to FIG. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図4Dの次の工程を示す図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 3 in the order of steps, and is a diagram showing a step subsequent to FIG. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図4Eの次の工程を示す図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図4Fの次の工程を示す図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the method for manufacturing the field effect transistor of FIG. 3 in the order of steps, and is a view showing a step subsequent to FIG. 図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図4Gの次の工程を示す図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. この発明の第3の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。It is an illustration sectional view for explaining the structure of the field effect transistor concerning a 3rd embodiment of this invention. この発明の第4の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。It is an illustration sectional view for explaining the structure of the field effect transistor concerning a 4th embodiment of this invention. この発明の第5の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。It is an illustrative sectional view for explaining the structure of a field effect transistor according to a fifth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
1A 主面
2 GaN膜
2A 主面
3 開口部
4 絶縁膜マスク
5 窒化物半導体積層構造部
6 N型GaN層
7 P型GaN層
8 N型GaN層
10 ゲート絶縁膜
11 ゲート電極
13 ソース電極
14 ドレイン電極
16 GaN結晶成長基板
20 凹部
25 導電性基板
61 露出面
71 露出面
81 露出面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 1A Main surface 2 GaN film 2A Main surface 3 Opening 4 Insulating film mask 5 Nitride semiconductor laminated structure 6 N-type GaN layer 7 P-type GaN layer 8 N-type GaN layer 10 Gate insulating film 11 Gate electrode 13 Source electrode 14 Drain electrode 16 GaN crystal growth substrate 20 Recess 25 Conductive substrate 61 Exposed surface 71 Exposed surface 81 Exposed surface

Claims (13)

基層と、
積層界面が前記基層の主面と斜めに交差するように、前記基層の主面側から順に積層された、第1導電型の第1III族窒化物半導体層、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2III族窒化物半導体層、および前記第1導電型の第3III族窒化物半導体層を備え、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の各端面が、前記基層の主面に平行な露出面を有する、窒化物半導体積層構造部と、を含む窒化物半導体結晶成長基板。
The base layer,
The first conductivity type first group III nitride semiconductor layer, which is sequentially laminated from the main surface side of the base layer so that the stack interface obliquely intersects the main surface of the base layer, is different from the first conductivity type. A second-conductivity-type Group III nitride semiconductor layer, and a first-conductivity-type Group III-nitride semiconductor layer, each end face of the first, second, and third-group III-nitride semiconductor layers being the base layer And a nitride semiconductor multilayer structure having an exposed surface parallel to the main surface of the nitride semiconductor crystal growth substrate.
前記基層の主面に形成され、前記基層の主面の一部を露出させる開口部を有する絶縁膜を有し、
前記窒化物半導体積層構造部は、前記開口部から前記絶縁膜上に至る領域に形成されている、請求項1記載の窒化物半導体結晶成長基板。
An insulating film having an opening formed on a main surface of the base layer and exposing a part of the main surface of the base layer;
The nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 1, wherein the nitride semiconductor multilayer structure portion is formed in a region extending from the opening to the insulating film.
前記基層の主面を掘り下げることにより形成された凹部を有し、
前記窒化物半導体積層構造部は、前記凹部内を含む前記基層の主面上に形成されている、請求項1記載の窒化物半導体結晶成長基板。
Having a recess formed by digging down the main surface of the base layer;
The nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 1, wherein the nitride semiconductor multilayer structure portion is formed on a main surface of the base layer including the inside of the recess.
前記基層は、III族窒化物半導体からなる半導体基層を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板。   The nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 1, wherein the base layer includes a semiconductor base layer made of a group III nitride semiconductor. 前記基層は、III族窒化物半導体とは異なる材料からなる基板を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板。   4. The nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 1, wherein the base layer includes a substrate made of a material different from that of the group III nitride semiconductor. 前記基層は、III族窒化物半導体とは異なる材料からなる基板と、前記基板に積層されるバッファ層とを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板。   4. The nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 1, wherein the base layer includes a substrate made of a material different from a group III nitride semiconductor, and a buffer layer stacked on the substrate. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板と、
前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の前記露出面に跨るように形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2III族窒化物半導体層に対向するように形成されたゲート電極と、
前記第1および第3III族窒化物半導体層の一方と電気的に接続されたソース電極と、
前記第1および第3III族窒化物半導体層の他方と電気的に接続されたドレイン電極と、を含む窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor crystal growth substrate according to any one of claims 1 to 6,
A gate insulating film formed to straddle the exposed surface of the first, second and third group III nitride semiconductor layers;
A gate electrode formed to face the second group III nitride semiconductor layer with the gate insulating film interposed therebetween;
A source electrode electrically connected to one of the first and third group III nitride semiconductor layers;
And a drain electrode electrically connected to the other of the first and third group III nitride semiconductor layers.
前記基層が導電性材料からなる導電性基板を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板と、
前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の前記露出面に跨るように形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2III族窒化物半導体層に対向するように形成されたゲート電極と、
前記導電性基板および前記第3窒化物半導体層の一方と電気的に接続されたソース電極と、
前記導電性基板および前記第3窒化物半導体層の他方と電気的に接続されたドレイン電極と、を含む窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor crystal growth substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the base layer includes a conductive substrate made of a conductive material;
A gate insulating film formed to straddle the exposed surface of the first, second and third group III nitride semiconductor layers;
A gate electrode formed to face the second group III nitride semiconductor layer with the gate insulating film interposed therebetween;
A source electrode electrically connected to one of the conductive substrate and the third nitride semiconductor layer;
And a drain electrode electrically connected to the other of the conductive substrate and the third nitride semiconductor layer.
基板上にIII族窒化物半導体からなる半導体基層を成長させる半導体基層成長工程と、
積層界面が前記半導体基層の主面と斜めに交差するように、第1導電型の第1III族窒化物半導体層、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2III族窒化物半導体層、および前記第1導電型の第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面側から順に積層形成する積層形成工程と、
前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面に平行な方向に沿って研磨することにより、前記第1、第2および第3III族窒化物半導体層の端面を露出させる研磨工程と、を含む、窒化物半導体結晶成長基板の製造方法。
A semiconductor base layer growth step of growing a semiconductor base layer made of a group III nitride semiconductor on the substrate;
The first conductivity type first group III nitride semiconductor layer, the second conductivity type second group III nitride semiconductor layer different from the first conductivity type, such that the stacked interface obliquely intersects the main surface of the semiconductor base layer And a layer forming step of sequentially stacking the third conductivity type Group III nitride semiconductor layer from the main surface side of the semiconductor base layer,
By polishing the first, second and third group III nitride semiconductor layers along a direction parallel to the main surface of the semiconductor base layer, end faces of the first, second and third group III nitride semiconductor layers A method for manufacturing a nitride semiconductor crystal growth substrate.
前記半導体基層成長工程の後、前記半導体基層の主面に、前記半導体基層の主面の一部を露出させる開口部を有する所定パターンの絶縁膜マスクを形成するマスク形成工程をさらに含み、
前記積層形成工程は、前記絶縁膜マスクをマスクとして前記開口部からIII族窒化物半導体を成長させることにより、前記開口部から前記絶縁膜マスク上に至る領域に、前記第1III族窒化物半導体層、前記第2III族窒化物半導体層、および前記第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面側から順に積層形成する工程を含む、請求項9記載の窒化物半導体結晶成長基板の製造方法。
After the semiconductor base layer growth step, the method further includes a mask formation step of forming an insulating film mask having a predetermined pattern having an opening exposing a part of the main surface of the semiconductor base layer on the main surface of the semiconductor base layer,
In the stacking step, the first group III nitride semiconductor layer is formed in a region extending from the opening to the insulating film mask by growing a group III nitride semiconductor from the opening using the insulating film mask as a mask. The manufacturing method of the nitride semiconductor crystal growth substrate of Claim 9 including the process of laminating | stacking the said 2nd group III nitride semiconductor layer and the said 3rd group III nitride semiconductor layer in order from the main surface side of the said semiconductor base layer. Method.
前記半導体基層成長工程の後、前記半導体基層の主面を掘り下げることにより、前記半導体基層の主面に凹部を形成する凹部形成工程をさらに含み、
前記積層形成工程は、前記凹部内の主面を含む前記半導体基層の主面からIII族窒化物半導体を成長させることにより、前記半導体基層の主面上に、前記第1III族窒化物半導体層、前記第2III族窒化物半導体層、および前記第3III族窒化物半導体層を、前記半導体基層の主面側から順に積層形成する工程を含む、請求項9記載の窒化物半導体結晶成長基板の製造方法。
After the semiconductor base layer growth step, further including a recess forming step of forming a recess in the main surface of the semiconductor base layer by digging down the main surface of the semiconductor base layer,
In the stack formation step, the first group III nitride semiconductor layer is formed on the main surface of the semiconductor base layer by growing a group III nitride semiconductor from the main surface of the semiconductor base layer including the main surface in the recess. The method for manufacturing a nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 9, comprising a step of sequentially stacking the second group III nitride semiconductor layer and the third group III nitride semiconductor layer from the main surface side of the semiconductor base layer. .
前記窒化物半導体結晶成長基板を、500℃〜1100℃で熱処理する工程をさらに含む、請求項9〜11のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板の製造方法。   The method for producing a nitride semiconductor crystal growth substrate according to any one of claims 9 to 11, further comprising a step of heat-treating the nitride semiconductor crystal growth substrate at 500 ° C to 1100 ° C. 前記研磨工程を、化学的機械研磨法により行なう、請求項9〜12のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶成長基板の製造方法。   The method for manufacturing a nitride semiconductor crystal growth substrate according to claim 9, wherein the polishing step is performed by a chemical mechanical polishing method.
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