JP2003273398A - 半導体材料およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い結晶品質を有し、充分な移動度を持つ導
電性窒化アルミニウム等の半導体材料およびそれを用い
た半導体装置を提供する。 【解決手段】 半導体装置の基板１または半導体層に結
晶成長されたＡｌＮを半導体とする半導体材料であっ
て、Ａｌ原料、Ｎ原料、およびＳｉドーパントを同時に
供給し、かつ、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以
上、５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドー
ピングして、前記ＡｌＮの半導体層２を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光デバイスや電
界効果トランジスタ等に用いられる半導体材料およびそ
れを用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路作製では、極微細加工技
術の研究開発が進んでいる。半導体集積回路作製に用い
られる発光源として、より短波長のものが求められてい
る。現在で最も短波長の発光源はＡｒＦエキシマレーザ
ーである。ＡｒＦエキシマレーザーは波長１９３ｎｍの
紫外光を発光する。しかし、エキシマレーザーは大型で
あり、発振が不安定である。そのため、同様な発振波長
を持ち、小型で安定した半導体レーザーが切望されてい
る。

【０００３】紫外光域での半導体レーザーの材料の候補
はダイヤモンドや窒化ホウ素（ＢＮ）である。しかし、
これらの材料は間接遷移型のバンド構造を持っているの
で、物理的にレーザーのための材料には適さない。

【０００４】それに対して、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）は、エネルギーギャップが６.２ｅＶであり、直接
遷移型のバンド構造を持っている。また、発光波長が２
００ｎｍであることから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
は発光素子に非常に適した材料である。Ａｌ_ｘＧａ
_１−ｘＮは、Ａｌ組成ｘが２０％を越えると高抵抗化
し、５０％を越えると絶縁化する。このために、Ａｌ_ｘ
Ｇａ_１−ｘＮがｎ型、ｐ型共に電気伝導性を有すること
は、極めて困難であった。以下にＡｌＮで導電性を有す
る材料の報告例を述べる。

【０００５】導電性ＡｌＮ半導体材料に関しR.Zeisel他
（Phys. Rev. B61 R16283(2000)）に記載されている報
告例について述べる。この報告例による発光素子を図１
２に示す。この作製例では、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法により、（０００１）面サファイア基板１０１
に、原料であるＡｌおよびＮを供給する。それと共に、
ドーパント材料である酸素（Ｏ）とシリコン（Ｓｉ）の
両方を同時に供給する。サファイア基板１０１上にＯ、
ＳｉドープＡｌＮ膜１０２を形成する。導電性を有する
条件は、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１９ｃｍ^−３であり、
酸素原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３であった。

【０００６】導電性ＡｌＮ半導体材料についてM. Okamo
to 他（Diamond and Related Materials 10(2001)132
2）に記載されている報告例について述べる。この報告
例による発光素子を図１３に示す。この作製例では、レ
ーザーアブレーション法により、（０００１）面サファ
イア基板１１１上にＡｌとＮの原料と共に、酸素
（Ｏ）、炭素（Ｃ）の濃度が３％（１.７×１０^２１ｃ
ｍ^−３に相当）以上になるように、酸素（Ｏ）と炭素
（Ｃ）を同時にドーピングする。これにより、サファイ
ア基板１１１上にＯ、ＣドープＡｌＮ膜１１２を形成す
る。導電性を有するための条件は、酸素濃度が１０％
（５×１０^２１ｃｍ^−３に相当）であり、炭素濃度が３
％（１.７×１０^２１ｃｍ^−３に相当）以上であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１２に示す
作製例には、次のような問題点がある。この作製例で
は、導電性ＡｌＮを得るためにＭＢＥ法を用い、シリコ
ン（Ｓｉ）と同時に酸素（Ｏ）をドーピングしなければ
ならなかった。しかし、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）
とを同時に供給する方法では、ドーパントから生じる電
子の割合は極めて低く、室温での電子濃度は高々１×１
０^１５ｃｍ^−３未満である（R. Zeisel 他（Phys. Rev.
B61 R16283(2000)）参照）。この電子濃度の値では、
デバイス応用は不可能である。また、酸素のドーピング
によって、母体であるＡｌＮの結晶品質は著しく悪化し
てしまい、移動度の減少の要因にもなっていた。

【０００８】図１３に示す作製例には、次のような問題
点がある。この作製例では、導電性ＡｌＮを得るため
に、レーザーアブレーション法を用い、酸素（Ｏ）と炭
素（Ｃ）とを同時に供給しなければならなかった。この
方法では、電子濃度は１×１０ ^１３ｃｍ^−３未満で測定
不能であり、移動度は１０^−２ｃｍ^２／Ｖｓと極めて低
く、ｎ型と判定できるまでには至らなかった。また、数
十％にも及ぶ酸素と炭素とのドーピングにより、結晶化
することすら困難であった。

【０００９】この発明は、前記の課題を解決し、高い結
晶品質を有し、充分な移動度を持つ導電性窒化アルミニ
ウム等の半導体材料およびそれを用いた半導体装置を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、半導体装置の基板または半導体
層に結晶成長されたＡｌＮを半導体とする半導体材料で
あって、Ａｌ原料、Ｎ原料、およびＳｉドーパントを同
時に供給し、かつ、Ｓｉ原子濃度が３×１０^{１ ７}ｃｍ
^−３以上、５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉ
をドーピングして、前記ＡｌＮを形成したことを特徴と
する半導体材料である。

【００１１】請求項２の発明は、半導体装置の基板また
は半導体層に結晶成長されたＡｌＮを半導体とする半導
体材料であって、Ａｌ原料、Ｎ原料、およびＳｉドーパ
ントを同時に供給し、かつ、Ｓｉ原子濃度が１×１０
^１８ｃｍ^−３以上、２×１０^{１ ９}ｃｍ^−３以下の範囲内
で、Ｓｉをドーピングして、前記ＡｌＮを形成したこと
を特徴とする半導体材料である。

【００１２】請求項３の発明は、半導体装置の基板また
は半導体層に結晶成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導
体とする半導体材料であって、Ａｌ原料、Ｎ原料、なら
びに、ＳｉおよびＧａドーパントを同時に供給し、か
つ、Ａｌ組成ｘが０.９以上、１.０未満の範囲内にあ
り、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、５×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピングし
て、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成したことを特徴とす
る半導体材料である。

【００１３】請求項４の発明は、半導体装置の基板また
は半導体層に結晶成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導
体とする半導体材料であって、Ａｌ原料、Ｎ原料、なら
びに、ＳｉおよびＧａドーパントを同時に供給し、か
つ、Ａｌ組成ｘが０.９以上、１.０未満の範囲内にあ
り、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピングし
て、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成したことを特徴とす
る半導体材料である。

【００１４】請求項５の発明は、半導体装置の基板また
は半導体層に結晶成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導
体とする半導体材料であって、Ａｌ原料、Ｎ原料、なら
びに、ＳｉおよびＧａドーパントを同時に供給し、か
つ、Ａｌ組成ｘが０.７以上、０.９未満の範囲内にあ
り、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、５×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピングし
て、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成したことを特徴とす
る半導体材料である。

【００１５】請求項６の発明は、半導体装置の基板また
は半導体層に結晶成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導
体とする半導体材料であって、Ａｌ原料、Ｎ原料、なら
びに、ＳｉおよびＧａドーパントを同時に供給し、か
つ、Ａｌ組成ｘが０.７以上、０.９未満の範囲内にあ
り、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピングし
て、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成したことを特徴とす
る半導体材料である。

【００１６】請求項７の発明は、半導体装置の基板また
は半導体層に結晶成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導
体とする半導体材料であって、Ａｌ原料、Ｎ原料、なら
びに、ＳｉおよびＧａドーパントを同時に供給し、か
つ、Ａｌ組成ｘが０.５以上、０.７未満の範囲内にあ
り、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、５×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピングし
て、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成したことを特徴とす
る半導体材料である。

【００１７】請求項８の発明は、半導体装置の基板また
は半導体層に結晶成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導
体とする半導体材料であって、Ａｌ原料、Ｎ原料、なら
びに、ＳｉおよびＧａドーパントを同時に供給し、か
つ、Ａｌ組成ｘが０.５以上、０.７未満の範囲内にあ
り、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピングし
て、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成したことを特徴とす
る半導体材料である。

【００１８】請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれ
か１項に記載の半導体材料において、前記ＡｌＮおよび
前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの中に含有する酸素原子濃度
が、１×１０^１７ｃｍ^−３未満であることを特徴とす
る。

【００１９】請求項１０の発明は、請求項１〜９のいず
れか１項に記載の半導体材料において、前記ＡｌＮおよ
び前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの中に含有する炭素原子濃度
が、１×１０^１７ｃｍ^−３未満であることを特徴とす
る。

【００２０】請求項１１の発明は、請求項１〜１０のい
ずれか１項に記載の半導体材料において、前記ＡｌＮお
よび前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの形成の際に用いたＳｉの
代わりに、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅを用いた
ことを特徴とする。

【００２１】請求項１２の発明は、請求項１〜１１のい
ずれか１項記載の半導体材料において、前記ＡｌＮおよ
び前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを、（０００１）面方位、Ｓ
ｉ極性を有し、かつ、４Ｈまたは６Ｈの結晶構造を有す
るＳｉＣ基板上に成長したことを特徴とする。

【００２２】請求項１３の発明は、請求項１〜１２のい
ずれか１項記載の半導体材料において、前記ＡｌＮおよ
び前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを有機金属気相成長法により
成長したことを特徴とする。

【００２３】請求項１４の発明は、発光ダイオードに対
して請求項１〜１３に記載の半導体材料を用いた半導体
装置であって、基板上に形成されると共に、請求項１〜
１３に記載した半導体材料による第１の半導体層と、前
記第１の半導体層に形成されると共に、ｐ型ＡｌＮまた
はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０.５＜ｙ＜１）による第２の
半導体層とを有することを特徴とする半導体装置であ
る。

【００２４】請求項１５の発明は、発光ダイオードに対
して請求項１〜１３に記載の半導体材料を用いた半導体
装置であって、前記基板上に形成された、請求項１〜１
３に記載した半導体材料による第１の半導体層と、前記
第１の半導体層に形成されると共に、Ｍｇをドープした
ＡｌＮまたはＡｌ_ｘＡＧａ_１−ｘＡＮ（０.５＜ｘＡ＜
１）による第２の半導体層とを有することを特徴とする
半導体装置である。

【００２５】請求項１６の発明は、半導体レーザーに対
して請求項１〜１３に記載した半導体材料を用いた半導
体装置であって、基板上に形成されると共に、請求項１
〜１３に記載したＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０.５＜ｘ
１≦１）による第１の半導体層と、前記第１の半導体層
に形成されると共に、請求項３〜１３に記載したＡｌ
_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０.５＜ｘ２＜１）による第２の
半導体層と、前記第２の半導体層に形成されると共に、
ｐ型Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０.５＜ｙ１＜１）によ
る第３の半導体層と、前記第３の半導体層に形成される
と共に、ｐ型Ａｌ _ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ（０.５＜ｙ２≦
１）による第４の半導体層とを有し、組成ｘ１、ｘ２お
よび組成ｙ１、ｙ２がｘ１＞ｘ２かつｙ１＜ｙ２の条件
を満たすことを特徴とする半導体装置である。

【００２６】請求項１７の発明は、半導体レーザーに対
して請求項１〜１３に記載した半導体材料を用いた半導
体装置であって、基板上に形成されると共に、請求項１
〜１３に記載したＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０.５＜ｘ
１≦１）による第１の半導体層と、前記第１の半導体層
に形成されると共に、請求項３〜１３に記載したＡｌ
_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０.５＜ｘ２＜１）による第２の
半導体層と、前記第２の半導体層に形成されると共に、
ＭｇドープＡｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０.５＜ｙ１＜
１）による第３の半導体層と、前記第３の半導体層に形
成されると共に、ＭｇドープＡｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ
（０.５＜ｙ２≦１）による第４の半導体層とを有し、
組成ｘ１、ｘ２および組成ｙ１、ｙ２がｘ１＞ｘ２かつ
ｙ１＜ｙ２の条件を満たすことを特徴とする半導体装置
である。

【００２７】請求項１８の発明は、電界効果トランジス
ターに対して請求項１〜１３に記載した半導体材料を用
いた半導体装置であって、基板上に形成されると共に、
請求項１〜１３に記載した半導体層を有し、前記半導体
層の上にソース電極、ゲート電極、およびドレイン電極
を形成したことを特徴とする半導体装置である。

【００２８】請求項１９の発明は、バイポーラトランジ
スターに対して請求項１〜１３に記載した半導体材料を
用いた半導体装置であって、基板上に形成されると共
に、請求項１〜１３に記載したＡｌ_ｘＡＧａ_１−ｘＡＮ
（０.５＜ｘＡ≦１）による第１の半導体層と、前記第
１の半導体層に形成されると共に、ｐ型Ａｌ_ｘＢＧａ_{１
−ｘＢ}Ｎ（０.５＜ｘＢ≦１）による第２の半導体層
と、前記第２の半導体層に形成されると共に、請求項１
〜１３に記載したＡｌ_ｘＣＧａ_１−ｘＣＮ（０.５＜ｘ
Ｃ≦１）による第３の半導体層と、前記第１の半導体層
に形成されたコレクタ電極と、前記第２の半導体層に形
成されたベース電極と、前記第３の半導体層に形成され
たエミッター電極とを有することを特徴とする半導体装
置である。

【００２９】請求項２０の発明は、バイポーラトランジ
スターに対して請求項１〜１３に記載した半導体材料を
用いた半導体装置であって、基板上に形成されると共
に、ｐ型Ａｌ_ｘＡＧａ_１−ｘＡＮ（０.５＜ｘＡ≦１）
による第１の半導体層と、前記第１の半導体層に形成さ
れると共に、請求項１〜１３に記載したＡｌ_ｘＢＧａ_{１
−ｘＢ}Ｎ（０.５＜ｘＢ≦１）による第２の半導体層
と、前記第２の半導体層に形成されると共に、ｐ型Ａｌ
_ｘＣＧａ_１−ｘＣＮ（０.５＜ｘＣ≦１）による第３の
半導体層と、前記第１の半導体層に形成されたコレクタ
電極と、前記第２の半導体層に形成されたベース電極
と、前記第３の半導体層に形成されたエミッター電極と
を有することを特徴とする半導体装置である。

【００３０】請求項２１の発明は、電界放出素子に対し
て請求項１〜１３に記載した半導体材料を用いた半導体
装置であって、基板上に形成されると共に、請求項１〜
１３に記載したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０.５＜ｘ≦１）
による半導体層と、前記半導体層と空間的に分離した位
置に形成された櫛形の電極とを有することを特徴とする
半導体装置である。

【００３１】この発明は、光学素子に係り、より詳細に
は、紫外光を発する発光素子の用途を有する半導体材料
に関するものである。また、この発明は電子素子に係
り、より詳細には、高周波動作可能な高周波増幅素子の
用途を有する半導体材料に関するものである。そして、
前記構成によれば、従来（図１２の作製例）の１０００
倍以上である１０ｃｍ^２／Ｖｓの移動度を有するｎ型の
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化アルミニウムガ
リウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を結晶成長することがで
きる。紫外光を発する発光素子、つまり、発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）または半導体レーザーが実現し、高周波特
性に極めて優れた高周波増幅素子を作製することができ
る。

【００３２】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の実施の形態に
ついて、図面を参照して詳しく説明する。

【００３３】［実施の形態１］この発明の実施の形態１
による半導体材料について説明する。図１（ａ）に示す
ように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、
Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を、
Ｎ原料としてＮＨ_３を、Ｓｉドーパント原料として５０
０ｐｐｍ濃度のＨ_２ベースのシラン（ＳｉＨ_４）を、希
釈ガスとして水素ガスを同時に供給する。これによっ
て、（０００１）面方位でＳｉ極性を有するシリコンカ
ーバイド（ＳｉＣ）基板１上に、シリコン（Ｓｉ）をド
ーピングしたＳｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３の窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）の半導体層２を成長する。また、図
１（ｂ）に示すように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの半導体層
３を形成するために、原料としてＧａが必要な場合に
は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用いた。成長温
度は１０５０〜１１００℃であり、成長圧力は３００Ｔ
ｏｒｒである。ＳｉＣ基板は、ウルツ鉱（六方晶）構造
という結晶構造を持っている。この構造の（０００１）
面方位には、結晶学的に２種類の面、すなわち、Ｓｉ
（極性）面とＣ（極性）面とがある。Ｓｉ（極性）面と
は、表面のＳｉ原子から垂直の１本の結合が出ている面
であり、Ｃ（極性）面とは、表面のＣ原子から垂直の１
本の結合が出ている面である（吉田貞史著「ＳｉＣ素子
実用化に向けた研究の現状と将来展望」、表面科学２０
００年１２月号、３ページ、日本表面科学会編）。

【００３４】Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成とＳｉドー
ピング濃度に対して、ｎ型伝導が得られた条件を図２に
示す。図２では、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成ｘを横
軸に（ＡｌＮは横軸のｘ＝１に対応する）示し、Ｓｉ濃
度を縦軸に示す。

【００３５】図２では、成長したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮが
ｎ型伝導性を示した条件を印◎または印○で示す。この
条件は、従来の方法では得られなかった条件である。移
動度が１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上の値を示した条件を印◎で
示す。この条件は、特性が非常に優れた条件である。ｎ
型伝導性を示したが、移動度が１ｃｍ^２／Ｖｓ以上１０
ｃｍ^２／Ｖｓ未満だった条件を印○で示す。この条件
は、特性が優れた条件である。また、従来の方法と変ら
ずに、ｎ型を示さず絶縁性を示した試料を印×で示す。

【００３６】Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの組成ｘが０.５から
０.７までの範囲、０.７から０.９までの範囲、０.９か
ら１までの範囲、さらに窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と
区別する理由は、組成ｘが増加するほど、ｎ型伝導を得
るのが困難になるからである。ｎ型伝導が最も困難なの
は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。その物理的な理
由は、組成ｘが大きくなると、バンドギャップが広くな
り、シリコン（Ｓｉ）が形成するドナー準位の伝導帯底
からのエネルギーが大きくなるためである。３×１０
^１７ｃｍ^−３以上で５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内
でｎ型伝導性を示し、移動度は１ｃｍ^２／Ｖｓ以上であ
った。特に、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以
上、２×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内にあるとき、移
動度は１０ｃｍ^２／Ｖｓ以上にもなり、特にｎ型伝導特
性が非常に優れていた。

【００３７】本発明の効果を図３を用いて説明する。窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）は、ほぼ同数のＡｌ原子とＮ
原子とが交互に４本の結合で結合している結晶である。
しかし、我々の理論的に最も精度のよい計算方法である
第一原理計算法によれば、結晶中には、図３（ａ）で示
すように、Ｎ原子が抜けた「空乏」（図中では△印で囲
んだＶで示し、以下、Ｖ△と記す）と呼ばれる状態が３
×１０^１７ｃｍ^−３の濃度で形成する。空乏Ｖ△は自由
電子を捕獲してしまう。

【００３８】この理由は、３×１０^１７ｃｍ^−３の濃度
で空乏が形成された結晶の方が、空乏が全く形成されな
い結晶よりも、熱力学的に安定であるからである。Ｓｉ
濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３より低い場合（図３
（ａ））、元々のＡｌ原子の位置に入ったＳｉ原子（図
中では□印で囲んだＳｉで示し、以下、Ｓｉ□と記す）
は、自由電子を結晶中に一旦、供給（放出）する。しか
し、その自由電子は全て空乏に捕獲されてしまうので、
結晶は絶縁体のままであり、ｎ型を示さない。

【００３９】図３（ｂ）で示されるように、Ｓｉ濃度が
３×１０^１７ｃｍ^−３より高い場合、Ａｌ原子位置のＳ
ｉ原子（Ｓｉ□）は空乏（Ｖ△）よりも多い。この結
果、十分に自由電子を結晶中に供給（放出）するため、
初めてｎ型半導体になる。これは、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）および窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａ
Ｎ）がｎ型になるために、本願の発明者が示した効果の
機構に他ならない(Y. Taniyasu, M. Kasu, N. Kobayash
i, Applied Physics Letters 投稿予定)。

【００４０】図３（ｃ）で示されるように、Ｓｉ濃度が
５×１０^１９ｃｍ^−３より高い場合、Ｓｉ原子は、Ａｌ
位置だけでなく、Ｎ原子位置にも入るようになる。これ
を図中では、○印で囲んだＳｉ（以下、Ｓｉ○と記す）
で示す。Ａｌ原子位置のＳｉ原子（Ｓｉ□）が一旦結晶
中へ供給（放出）した自由電子を、このＮ原子位置のＳ
ｉ原子（Ｓｉ○）が捕獲してしまうため、再び結晶は絶
縁体になってしまう。Ｓｉ濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３
より高くなると、Ｓｉ原子がＡｌ原子位置よりＮ原子位
置に場所を変えるのは、本願の発明者が行なった第一原
理計算によれば、熱力学的にＮ原子位置の方が安定にな
るからである。

【００４１】以上のように、Ｓｉ濃度が３×１０^１７ｃ
ｍ^−３と５×１０^１９ｃｍ^−３の限られた範囲内でのみ
ｎ型半導体になるのは、前記の第一原理計算で初めて示
された効果であり、実験結果でも定量的に確認すること
ができた。

【００４２】以上の説明では窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）に対して行なったが、窒化アルミニウムガリウム
（ＡｌＧａＮ）では、Ｇａ原子が一部のＡｌ原子を置き
換えたものであり、我々の計算でも、先の図３（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）の状態変化が起きる濃度はほとんど同じ
である。

【００４３】以上の説明では、３×１０^１７ｃｍ^−３か
ら５×１０^１９ｃｍ^−３の範囲で図３（ｂ）の状態が起
こるとしたが、より厳密に第一原理計算を行なうと、１
×１０^１８ｃｍ^−３から２×１０^１９ｃｍ^−３の範囲で
図３（ｂ）の状態がより効果的に起こることが示され
る。

【００４４】以上の効果では、酸素原子や炭素原子がな
いことも重要である。なぜなら、酸素原子や炭素原子
は、前記の説明で、空乏と同じ役割をするので、ｎ型半
導体になる図３（ｂ）の状態の下限値を増加させてしま
う。つまり、図３（ｂ）の状態の下限値が、上限値に達
してしまった場合、図３（ｂ）の状態は全く形成されな
くなってしまう。ＳｉドープＡｌＮ中の酸素濃度に対す
る移動度の変化を図４に示し、範囲Ａでは、窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）中に含有する酸素原子濃度が１×１０
^１７ｃｍ^−３未満である。また、ＳｉドープＡｌＮ中の
炭素濃度に対する移動度の変化を図５に示し、範囲Ｂで
は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）中に含有する炭素原子
濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３未満である。

【００４５】前記の効果では、ＭＯＣＶＤ法と呼ばれる
結晶成長方法を用いることが重要である。なぜなら、Ｍ
ＯＣＶＤ法以外の方法の１つであるＭＢＥ法では、炭素
原子や酸素原子が結晶に取り込まれやすいからである。

【００４６】前記の効果では、基板に（０００１）面方
位でＳｉ極性を有するＳｉＣ基板を用いることが重要で
ある。他の材料の基板、例えば、サファイア基板の場
合、サファイアとＡｌＮ（またはＡｌＧａＮ）の間の格
子定数の違い（格子不整合）が大きすぎ、空乏が増加す
るからである。また、ＳｉＣ基板であっても他の面方
位、例えば（１１−２０）面方位を用いた場合、あるい
はＣ極性を用いた場合は、格子不整合が大きすぎ、空乏
が増加してしまう。この結果、ｎ型半導体になる状態
（図３（ｂ））の下限が上昇することにより、範囲が狭
くなってしまう。または、範囲が消滅してしまうことに
より、所望の効果を得ることができない。

【００４７】なお、この実施の形態では、Ｓｉをドーパ
ント材料として用いた場合を説明したが、Ｓｉの代わり
に、ゲルマニウム（Ｇｅ）、すず（Ｓｎ）、硫黄
（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）を用いた場合
でも、移動度は落ちるが、図２で示した条件で、次の表
に示すように、ｎ型伝導効果を得ることができた。

【００４８】この表で、ゲルマニウム（Ｇｅ）とすず
（Ｓｎ）の方が移動度が大きいのは、シリコン（Ｓｉ）
と同じIV族元素であり、VI族元素と違い、結晶欠陥を生
成しにくいからである。

【００４９】この実施の形態では、ＭＯＶＰＥ法を用
い、Ａｌ原料としてＴＭＡを用いたが、トリエチルアル
ミニウム（ＴＥＡ）でもｎ型伝導効果を得ることができ
る。また、Ｓｉ原料としてＳｉＨ_４を用いたが、Ｓｉ_２
Ｈ_６ガスでもｎ型伝導効果を得ることができる。また、
Ｓｉ原料としてトリエチルシラン（ＴＥＳｉ）を用いた
場合は、移動度が数十％減少するが、同様な特性を示
す。

【００５０】この実施の形態では、半導体薄膜の作製方
法としてＭＯＶＰＥ法を用いたが、ＭＢＥ法を用いた場
合でも、移動度は数十％減少するが、ｎ型伝導を示す。
ＭＯＶＰＥ法はＭＢＥ法と異なり原料中に不純物が混入
しにくいので、良質な結晶ができ、良好なｎ型伝導を示
す。

【００５１】この実施の形態では、基板としてＳｉＣを
選んだが、サファイア基板を用いた場合は、移動度が半
分に落ちるが、それ以外はｎ型伝導を示す。４Ｈおよび
６Ｈ構造を有するＳｉＣ基板は、ＡｌＧａＮおよびＡｌ
Ｎと格子定数が近いので、結晶欠陥が少ないためであ
る。

【００５２】この実施の形態では、ＳｉＣ基板の面方位
を（０００１）に選んだが、（１１−２０）または（１
−１００）面方位を用いた場合でも、移動度がおよそ１
０分の１に落ちるが、それ以外はｎ型伝導特性を示す。

【００５３】この実施の形態では、ＭＯＶＰＥ法を用
い、原料としてＴＭＡ、ＴＭＧａ、ＳｉＨ_４を用いた
が、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、トリエチルガ
リウム（ＴＥＧａ）、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス、トリエチルシラ
ン（ＴＥＳｉ）を用いた場合でも、移動度がおよそ１０
分の１に落ちるが、それでもｎ型伝導特性を示す。メチ
ル化合物は、エチル化合物と異なり、メチル基が分離し
やすく、不純物となって残留しないからである。

【００５４】この実施の形態では、半導体薄膜の作製方
法としてＭＯＶＰＥ法を用いたが、他の方法、例えばＭ
ＢＥ法を用いた場合でも、移動度はおよそ１０分の１に
なるが、それでもｎ型伝導特性を示す。ＭＯＶＰＥ法
は、ＭＢＥ法と異なり、原料内での不純物の混入が少な
く、不純物の混入が少ないためである。

【００５５】［実施の形態２］この実施の形態では、発
光ダイオードの作製例について説明する。この実施の形
態による、波長２００ｎｍの紫外光の発光ダイオードを
図６に示す。この発光ダイオードでは、ｎ型の（０００
１）面方位、Ｓｉ極性を有する（０００１）面方位Ｓｉ
Ｃ基板１１の上に、Ｓｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＳ
ｉドープＡｌＮ層１２を厚さ０.４ミクロン成長した。

【００５６】ＳｉドープＡｌＮまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘ
Ｎ層１２のＡｌＮ、Ａｌ_ｘＧａ_{１− ｘ}Ｎとして、実施の
形態１の半導体材料、つまり、次の〔あ〕〜〔さ〕が用
いられる。

【００５７】〔あ〕シリコン（Ｓｉ）をドーピングした
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）半導体であり、シリコン
（Ｓｉ）原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、５×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔い〕前記の（あ）のシリコン（Ｓｉ）をドーピングし
た窒化アルミニウム（ＡｌＮ）半導体であり、シリコン
（Ｓｉ）原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔う〕シリコン（Ｓｉ）をドーピングした窒化アルミニ
ウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）半導体であり、Ａ
ｌ組成ｘが０.９以上、１.０未満の範囲内にあり、Ｓｉ
原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、５×１０^１９ｃ
ｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔え〕前記〔う〕のシリコン（Ｓｉ）をドーピングし
た、Ａｌ組成ｘが０.９以上、１.０未満の範囲内の窒化
アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）半導体で
あり、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×
１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔お〕シリコン（Ｓｉ）をドーピングした窒化アルミニ
ウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）半導体であり、Ａ
ｌ組成ｘが０.７以上、０.９未満の範囲内にあり、Ｓｉ
原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、５×１０^１９ｃ
ｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔か〕前記〔お〕のシリコン（Ｓｉ）をドーピングし
た、Ａｌ組成ｘが０.７以上０.９未満の範囲内の窒化ア
ルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）半導体であ
り、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔き〕シリコン（Ｓｉ）をドーピングした窒化アルミニ
ウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）半導体であり、Ａ
ｌ組成ｘが０.５以上、０.７未満の範囲内にあり、Ｓｉ
原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、５×１０^１９ｃ
ｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔く〕前記〔き〕のシリコン（Ｓｉ）をドーピングした
Ａｌ組成ｘが０.５以上、０.７未満の範囲内の、窒化ア
ルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）半導体であ
り、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１
０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内にある半導体材料。 〔け〕前記〔あ〕〜〔く〕における半導体材料中に含有
する酸素原子濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３未満である半
導体材料。 〔こ〕前記〔あ〕〜〔け〕における半導体材料中に含有
する炭素原子濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３未満である半
導体材料。 〔さ〕前記〔あ〕〜〔こ〕においてＳｉの代わりに、ゲ
ルマニウム（Ｇｅ）、すず（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、セレ
ン（Ｓｅ）、またはテルル（Ｔｅ）を用いた半導体材
料。

【００５８】このような半導体材料である、Ｓｉドープ
ＡｌＮ層１２の上に、ｐ型不純物であるＭｇを１×１０
^２０ｃｍ^−３ドーピングしたＡｌＮ層１３を成長し、導
電性基板裏面にＡｕ／Ｔｉ電極１４を形成し、ＡｌＮ層
１３であるｐ型半導体層上に、Ａｕ／Ｎｉ電極１５を形
成して作製した。

【００５９】ｐ型側の電極（電極１５）に正の電圧を印
加し、ｎ型側の電極（電極１４）に負の電圧を印加した
結果、ピーク波長２００ｎｍの発光が得られた。この波
長は、従来の半導体で得られた最も短い波長である。

【００６０】なお、基板１１にｐ型を用いる場合、ｐ型
半導体層１３、本発明のｎ型半導体層１２の順に成長す
ればよい。また、基板１１にサファイアなど絶縁性基板
を使う場合は、基板側の半導体層から直接電極を取り出
すことは言うまでもない。

【００６１】［実施の形態３］この実施の形態では、ダ
ブルヘテロ接合発光ダイオードまたは半導体レーザーの
作製例について説明する。この実施の形態によるダブル
ヘテロ接合発光ダイオードまたは半導体レーザーを図７
に示す。

【００６２】この半導体レーザーでは、ｎ型の導電性を
有する（０００１）面方位、Ｓｉ極性を有するＳｉＣ基
板２１上に、前記〔あ〕〜〔さ〕で述べたところの、Ｓ
ｉドープ（Ｓｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）ＡｌＮ（す
なわち、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ １}Ｎ、ｘ１＝１）半導体層
２２、前記〔う〕〜〔さ〕で述べたところのＳｉドープ
Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０.５＜ｘ２＜１）半導体層
２３、Ｍｇドープ（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３）Ａ
ｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０.５＜ｙ１＜１）半導体層２
４、Ｍｇドープ（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３）Ａｌ
Ｎ（すなわち、Ａｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ、ｙ２＝１）半
導体層２５を順に成長する。ここで、組成ｘ１＝１、組
成ｘ２＝０.９、組成ｙ１＝０.９、組成ｙ２＝１、つま
り、ｘ１＞ｘ２かつｙ１＜ｙ２の条件を満たすことが必
要である。

【００６３】基板２１裏面にＡｕ／Ｔｉ電極２６を形成
し、半導体層２５上にＡｕ／Ｎｉ電極２７を形成して、
半導体レーザーを作製した。Ｐ型側の電極２７に正の電
圧を印加し、ｎ型側の電極２６に負の電圧を印加した。
この結果、ピーク波長２００ｎｍの発光が得られた。こ
の波長は、従来の半導体で得られた最も短い波長であ
る。後述する実施の形態４と同様、基板にｐ型を用いる
場合、半導体層２２から半導体層２５までの順を逆にす
ればよい。また、基板にサファイアなどの絶縁性基板を
用いる場合、基板に最も近い半導体層に電極を直接形成
すればよい。

【００６４】［実施の形態４］この実施の形態では、電
界効果トランジスター（ＦＥＴ）の作製例について説明
する。この実施の形態による電界効果トランジスター
（ＦＥＴ）を図８に示す。この電界効果トランジスター
（ＦＥＴ）では、基板、例えばｎ型導電性を有する（０
００１）面方位Ｓｉ極性ＳｉＣ基板３１の上に、前記
〔あ〕〜〔さ〕で述べたところのＳｉドープ（Ｓｉ濃度
１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ１μｍ）ＡｌＮ層３２を成
長し、その面上に、ソースＡｕ／Ｔｉ電極３３、ゲート
Ａｕ／Ａｌ電極３４、ドレインＡｕ／Ｔｉ電極３５を形
成した。

【００６５】この電界効果トランジスター（ＦＥＴ）の
相互コンダクタンスｇｍは５００ｍＳ／ｍｍであり、従
来のＡｌＧａＮでできたＦＥＴの約６倍であった。

【００６６】［実施の形態５］この実施の形態では、Ｎ
ＰＮバイポーラートランジスターの作製例について説明
する。この実施の形態によるＮＰＮバイポーラートラン
ジスターを図９に示す。このＮＰＮバイポーラートラン
ジスターでは、（０００１）面方位Ｓｉ極性ＳｉＣ基板
４１の上に、前記〔あ〕〜〔さ〕で述べたところのＳｉ
ドープ（Ｓｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ１μｍ）
ＡｌＮ半導体層４２であるコレクター層、Ｍｇをドーピ
ングした（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０.５
μｍ）ｐ型ＡｌＮまたはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ半導体層４
３であるベース層、前記〔あ〕〜〔さ〕で述べたところ
のＳｉドープ（Ｓｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ
０.５μｍ）ＡｌＮ半導体層４４であるエミッター層を
順に成長した。つぎに、各々の層４２〜４４よりコレク
ターＡｕ／Ｔｉ電極４５、ベースＡｕ／Ｎｉ電極４６、
エミッタ-Ａｕ／Ｔｉ電極４７を取り出す。

【００６７】このＮＰＮバイポーラートランジスターの
増幅率βは２００であった。

【００６８】［実施の形態６］この実施の形態では、Ｐ
ＮＰバイポーラートランジスターの作製例について説明
する。この実施の形態によるＰＮＰバイポーラートラン
ジスターを図１０に示す。このＰＮＰバイポーラートラ
ンジスターでは、（０００１）面方位Ｓｉ極性ＳｉＣ基
板５１の上に、Ｍｇをドーピングした（Ｍｇ濃度１×１
０^２０ｃｍ^−３、厚さ１μｍ）ｐ型ＡｌＮ半導体層５２
をコレクター層、前記〔あ〕〜〔さ〕で述べたところの
Ｓｉドープ（Ｓｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０.
５μｍ）ＡｌＮ半導体層５３をベース層、Ｍｇをドーピ
ングした（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０.５
μｍ）ｐ型ＡｌＮまたはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ半導体層５
４であるエミッタ-層として成長した。つぎに、各々の
層５２〜５４よりコレクターＡｕ／Ｎｉ電極５５、Ａｕ
／Ｔｉベース電極５６、エミッタ-Ａｕ／Ｎｉ電極５７
を取り出す。

【００６９】このＰＮＰバイポーラートランジスターの
増幅率βは１５０であった。

【００７０】［実施の形態７］この実施の形態では、電
界放出（フィールドエミッション）素子の作製例につい
て説明する。この実施の形態による電界放出（フィール
ドエミッション）素子を図１１に示す。この電界放出
（フィールドエミッション）素子では、ｎ型伝導性を有
し（０００１）面方位Ｓｉ極性ＳｉＣ基板６１の上に、
前記〔あ〕〜〔さ〕で述べたところのＳｉドープ（Ｓｉ
濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０.４μｍ）ＡｌＮま
たはＳｉドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ半導体層６２を成長
する。基板６１が導電性を有する場合、図１１のように
基板６１の裏面にカソード電極６３を形成する。また、
基板６１が絶縁性の場合は、半導体層６２にカソード電
極６３を直接形成する。半導体層６２と空間的に分離さ
れた位置に、櫛形のアノード電極６４を設置した。

【００７１】この電界放出（フィールドエミッション）
素子によれば、２Ｖ／μｍの電界強度で、１.２Ａ／ｃ
ｍ^２の電流密度を得ることができた。これは従来の電界
効果放出素子の電流密度の最高値の６倍に相当する。

【００７２】

【発明の効果】以上、説明したように、この発明によれ
ば、ＭＯＣＶＤ法により酸素、炭素の混入を著しく低減
できる。そこで得られた最適な成長条件は、酸素や炭素
を含まず、またシリコン濃度も、極めて限定的な範囲で
ある。

【００７３】これによって、従来の１０００倍以上であ
る１０ｃｍ^２／Ｖｓの移動度を有するｎ型の窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）および窒化アルミニウムガリウム（Ａ
ｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を結晶成長することができる。紫外
光を発する発光素子、つまり、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）または半導体レーザーが実現し、高周波特性に極め
て優れた高周波増幅素子を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を説明するための説明
図である。

【図２】Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成とＳｉドーピン
グ濃度に対して、ｎ型伝導が得られた条件を示す相図で
ある。

【図３】本発明の効果を説明するための説明図である。

【図４】ＳｉドープＡｌＮ中の酸素濃度に対する移動度
の変化である。

【図５】ＳｉドープＡｌＮ中の炭素濃度に対する移動度
の変化である。

【図６】実施の形態２による発光ダイオードを示す断面
図である。

【図７】実施の形態３によるダブルヘテロ接合発光ダイ
オードまたは半導体レーザーを示す断面図である。

【図８】実施の形態４による電界効果トランジスターを
示す断面図である。

【図９】実施の形態５によるＮＰＮバイポーラートラン
ジスターを示す断面図である。

【図１０】実施の形態６によるＰＮＰバイポーラートラ
ンジスターを示す断面図である。

【図１１】実施の形態７による電界放出（フィールドエ
ミッション）素子を示す断面図である。

【図１２】従来技術による作成例を示す断面図である。

【図１３】従来技術による別の作成例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板 ２ ＡｌＮの半導体層 ３ Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの半導体層 １１、２１、３１、４１、５１、６１ ＳｉＣ基板 １２ ＳｉドープＡｌＮまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層 １３ ＡｌＮまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層 １４、１５ 電極 ２２ ＳｉドープＡｌＮまたはＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ
半導体層 ２３ ＳｉドープＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ半導体層 ２４ ＭｇドープＡｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ半導体層 ２５ ＭｇドープＡｌＮまたはＡｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ
半導体層 ３２ ＳｉドープＡｌＮ層 ３３ ソース電極 ３４ ゲート電極 ３５ ドレイン電極 ４２、４４、５３ ＳｉドープＡｌＮまたはＳｉドープ
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ半導体層 ４３、５２、５４ ｐ型ＡｌＮまたはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙ
Ｎ半導体層 ４５、５５ コレクター電極 ４６、５６ ベース電極 ４７、５７ エミッタ-電極 ６２ ＳｉドープＡｌＮまたはＳｉドープＡｌ_ｘＧａ
_１−ｘＮ半導体層 ６３ カソード電極 ６４ 櫛形のアノード電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/737 Ｈ０１Ｌ 29/72 Ｈ 29/812 Ｈ０１Ｓ 5/323 ６１０ (72)発明者 小林 直樹 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F003 AZ01 BB01 BC01 BE01 BF06 BG06 5F041 AA02 CA34 CA40 CA48 CA56 CA57 CA58 CA65 5F073 AA55 CA07 CB07 DA05 DA11 EA14 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GK04 GR01 GS01 GT02

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌＮを半導体とする半導体材料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、およびＳｉドーパントを同時に供給
   し、かつ、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上、
   ５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピン
   グして、前記ＡｌＮを形成したことを特徴とする半導体
   材料。
2. 【請求項２】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌＮを半導体とする半導体材料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、およびＳｉドーパントを同時に供給
   し、かつ、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、
   ２×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓｉをドーピン
   グして、前記ＡｌＮを形成したことを特徴とする半導体
   材料。
3. 【請求項３】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導体とする半導体材
   料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、ならびに、ＳｉおよびＧａドーパン
   トを同時に供給し、かつ、Ａｌ組成ｘが０.９以上、１.
   ０未満の範囲内にあり、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃ
   ｍ^−３以上、５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓ
   ｉをドーピングして、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成し
   たことを特徴とする半導体材料。
4. 【請求項４】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導体とする半導体材
   料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、ならびに、ＳｉおよびＧａドーパン
   トを同時に供給し、かつ、Ａｌ組成ｘが０.９以上、１.
   ０未満の範囲内にあり、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃ
   ｍ^−３以上、２×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓ
   ｉをドーピングして、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成し
   たことを特徴とする半導体材料。
5. 【請求項５】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導体とする半導体材
   料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、ならびに、ＳｉおよびＧａドーパン
   トを同時に供給し、かつ、Ａｌ組成ｘが０.７以上、０.
   ９未満の範囲内にあり、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃ
   ｍ^−３以上、５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓ
   ｉをドーピングして、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成し
   たことを特徴とする半導体材料。
6. 【請求項６】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導体とする半導体材
   料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、ならびに、ＳｉおよびＧａドーパン
   トを同時に供給し、かつ、Ａｌ組成ｘが０.７以上、０.
   ９未満の範囲内にあり、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃ
   ｍ^−３以上、２×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓ
   ｉをドーピングして、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成し
   たことを特徴とする半導体材料。
7. 【請求項７】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導体とする半導体材
   料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、ならびに、ＳｉおよびＧａドーパン
   トを同時に供給し、かつ、Ａｌ組成ｘが０.５以上、０.
   ７未満の範囲内にあり、Ｓｉ原子濃度が３×１０^１７ｃ
   ｍ^−３以上、５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓ
   ｉをドーピングして、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成し
   たことを特徴とする半導体材料。
8. 【請求項８】 半導体装置の基板または半導体層に結晶
   成長されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを半導体とする半導体材
   料であって、 Ａｌ原料、Ｎ原料、ならびに、ＳｉおよびＧａドーパン
   トを同時に供給し、かつ、Ａｌ組成ｘが０.５以上、０.
   ７未満の範囲内にあり、Ｓｉ原子濃度が１×１０^１８ｃ
   ｍ^−３以上、２×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲内で、Ｓ
   ｉをドーピングして、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを形成し
   たことを特徴とする半導体材料。
9. 【請求項９】 前記ＡｌＮおよび前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ
   Ｎの中に含有する酸素原子濃度が、１×１０^１７ｃｍ
   ^−３未満であることを特徴とする請求項１〜８のいずれ
   か１項に記載の半導体材料。
10. 【請求項１０】 前記ＡｌＮおよび前記Ａｌ_ｘＧａ
    _１−ｘＮの中に含有する炭素原子濃度が、１×１０^１７
    ｃｍ^−３未満であることを特徴とする請求項１〜９のい
    ずれか１項に記載の半導体材料。
11. 【請求項１１】 前記ＡｌＮおよび前記Ａｌ_ｘＧａ
    _１−ｘＮの形成の際に用いたＳｉの代わりに、Ｇｅ、Ｓ
    ｎ、Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅを用いたことを特徴とする請
    求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体材料。
12. 【請求項１２】 前記ＡｌＮおよび前記Ａｌ_ｘＧａ
    _１−ｘＮを、（０００１）面方位、Ｓｉ極性を有し、か
    つ、４Ｈまたは６Ｈの結晶構造を有するＳｉＣ基板上に
    成長したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１
    項記載の半導体材料。
13. 【請求項１３】 前記ＡｌＮおよび前記Ａｌ_ｘＧａ
    _１−ｘＮを有機金属気相成長法により成長したことを特
    徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載の半導体材
    料。
14. 【請求項１４】 発光ダイオードに対して請求項１〜１
    ３に記載の半導体材料を用いた半導体装置であって、 基板上に形成されると共に、請求項１〜１３に記載した
    半導体材料による第１の半導体層と、 前記第１の半導体層に形成されると共に、ｐ型ＡｌＮま
    たはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０.５＜ｙ＜１）による第２
    の半導体層とを有することを特徴とする半導体装置。
15. 【請求項１５】 発光ダイオードに対して請求項１〜１
    ３に記載の半導体材料を用いた半導体装置であって、 前記基板上に形成された、請求項１〜１３に記載した半
    導体材料による第１の半導体層と、 前記第１の半導体層に形成されると共に、Ｍｇをドープ
    したＡｌＮまたはＡｌ _ｘＡＧａ_１−ｘＡＮ（０.５＜ｘ
    Ａ＜１）による第２の半導体層とを有することを特徴と
    する半導体装置。
16. 【請求項１６】 半導体レーザーに対して請求項１〜１
    ３に記載した半導体材料を用いた半導体装置であって、 基板上に形成されると共に、請求項１〜１３に記載した
    Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０.５＜ｘ１≦１）による第
    １の半導体層と、 前記第１の半導体層に形成されると共に、請求項３〜１
    ３に記載したＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０.５＜ｘ２＜
    １）による第２の半導体層と、 前記第２の半導体層に形成されると共に、ｐ型Ａｌ_ｙ１
    Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０.５＜ｙ１＜１）による第３の半導
    体層と、 前記第３の半導体層に形成されると共に、ｐ型Ａｌ_ｙ２
    Ｇａ_１−ｙ２Ｎ（０.５＜ｙ２≦１）による第４の半導
    体層とを有し、 組成ｘ１、ｘ２および組成ｙ１、ｙ２がｘ１＞ｘ２かつ
    ｙ１＜ｙ２の条件を満たすことを特徴とする半導体装
    置。
17. 【請求項１７】 半導体レーザーに対して請求項１〜１
    ３に記載した半導体材料を用いた半導体装置であって、 基板上に形成されると共に、請求項１〜１３に記載した
    Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０.５＜ｘ１≦１）による第
    １の半導体層と、 前記第１の半導体層に形成されると共に、請求項３〜１
    ３に記載したＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０.５＜ｘ２＜
    １）による第２の半導体層と、 前記第２の半導体層に形成されると共に、ＭｇドープＡ
    ｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０.５＜ｙ１＜１）による第３
    の半導体層と、 前記第３の半導体層に形成されると共に、ＭｇドープＡ
    ｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ（０.５＜ｙ２≦１）による第４
    の半導体層とを有し、 組成ｘ１、ｘ２および組成ｙ１、ｙ２がｘ１＞ｘ２かつ
    ｙ１＜ｙ２の条件を満たすことを特徴とする半導体装
    置。
18. 【請求項１８】 電界効果トランジスターに対して請求
    項１〜１３に記載した半導体材料を用いた半導体装置で
    あって、 基板上に形成されると共に、請求項１〜１３に記載した
    半導体層を有し、 前記半導体層の上にソース電極、ゲート電極、およびド
    レイン電極を形成したことを特徴とする半導体装置。
19. 【請求項１９】 バイポーラトランジスターに対して請
    求項１〜１３に記載した半導体材料を用いた半導体装置
    であって、 基板上に形成されると共に、請求項１〜１３に記載した
    Ａｌ_ｘＡＧａ_１−ｘＡＮ（０.５＜ｘＡ≦１）による第
    １の半導体層と、 前記第１の半導体層に形成されると共に、ｐ型Ａｌ_ｘＢ
    Ｇａ_１−ｘＢＮ（０.５＜ｘＢ≦１）による第２の半導
    体層と、 前記第２の半導体層に形成されると共に、請求項１〜１
    ３に記載したＡｌ_ｘＣＧａ_１−ｘＣＮ（０.５＜ｘＣ≦
    １）による第３の半導体層と、 前記第１の半導体層に形成されたコレクタ電極と、 前記第２の半導体層に形成されたベース電極と、 前記第３の半導体層に形成されたエミッター電極とを有
    することを特徴とする半導体装置。
20. 【請求項２０】 バイポーラトランジスターに対して請
    求項１〜１３に記載した半導体材料を用いた半導体装置
    であって、 基板上に形成されると共に、ｐ型Ａｌ_ｘＡＧａ_１−ｘＡ
    Ｎ（０.５＜ｘＡ≦１）による第１の半導体層と、 前記第１の半導体層に形成されると共に、請求項１〜１
    ３に記載したＡｌ_ｘＢＧａ_１−ｘＢＮ（０.５＜ｘＢ≦
    １）による第２の半導体層と、 前記第２の半導体層に形成されると共に、ｐ型Ａｌ_ｘＣ
    Ｇａ_１−ｘＣＮ（０.５＜ｘＣ≦１）による第３の半導
    体層と、 前記第１の半導体層に形成されたコレクタ電極と、 前記第２の半導体層に形成されたベース電極と、 前記第３の半導体層に形成されたエミッター電極とを有
    することを特徴とする半導体装置。
21. 【請求項２１】 電界放出素子に対して請求項１〜１３
    に記載した半導体材料を用いた半導体装置であって、 基板上に形成されると共に、請求項１〜１３に記載した
    Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０.５＜ｘ≦１）による半導体層
    と、 前記半導体層と空間的に分離した位置に形成された櫛形
    の電極とを有することを特徴とする半導体装置。