JP2013112558A - 窒化ガリウム層を備える黒鉛材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化ガリウム層を備える黒鉛材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】黒鉛材１は、膨張黒鉛シート２と、膨張黒鉛シート２の上に配された、結晶性窒化ガリウム層３とを備える。黒鉛材１の製造方法は、膨張黒鉛シート２を準備する工程と、膨張黒鉛シート２の上に、結晶性窒化ガリウム層３を形成する工程と、を備える。結晶性窒化ガリウム層３は、有機金属気相成長法により、膨張黒鉛シート２の上に窒化ガリウムの結晶をエピタキシャル成長させてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム層を備える黒鉛材及びその製造方法に関する。

従来、サファイア基板などの上に窒化ガリウム層を設けた半導体素子が知られている。しかしながら、サファイア基板は、非常に高価である。このため、サファイア基板の代わりに、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）や、高分子材料を焼結して得られるグラファイトなどの、非常に配向性の高いグラファイトからなる基板の上に窒化ガリウム層を設けた黒鉛材が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−２００２０７号公報

しかしながら、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）や、高分子材料を焼結して得られるグラファイトも高価である。従って、これらの特殊なグラファイトを用いたとしても、窒化ガリウム層を備える材料を十分に低コスト化することは困難である。

このような状況下、窒化ガリウム層を備える新規な黒鉛材が求められている。

本発明は、窒化ガリウム層を備える新規な黒鉛材を提供することを主な目的とする。

本発明の黒鉛材は、膨張黒鉛シートと結晶性窒化ガリウム層とを備える。結晶性窒化ガリウム層は、膨張黒鉛シートの上に配されている。

結晶性窒化ガリウム層は、膨張黒鉛シートの上に窒化ガリウムの結晶がエピタキシャル成長したものであることが好ましい。

結晶性窒化ガリウム層は、膨張黒鉛シートのｃ面露出部の上に配されていることが好ましい。

本発明の半導体素子は、上記の黒鉛材を備える。

本発明の黒鉛材の製造方法は、上記の黒鉛材の製造方法であって、膨張黒鉛シートを準備する工程と、膨張黒鉛シートの上に、結晶性窒化ガリウム層を形成する工程とを備える。

有機金属気相成長法により、膨張黒鉛シートの上に、結晶性窒化ガリウム層を形成することが好ましい。

本発明によれば、結晶性窒化ガリウム層を備える新規な黒鉛材を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る黒鉛材の略図的断面図である。 黒鉛の結晶構造を示す図である。 窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶構造を示す図である。 本発明の実験例における膨張黒鉛シートの表面のＳＥＭ像である。 本発明の実験例における膨張黒鉛シートの表面のＡＦＭ像である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態などにおいて参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、本実施形態に係る黒鉛材の略図的断面図である。黒鉛材１は、膨張黒鉛シート２を有する。本発明において、膨張黒鉛シートは、例えば特開２００６−６２９２２号公報に記載されているような、天然黒鉛などを硫酸などに浸漬して熱処理することで層間に浸透された硫酸などがガス化し、発生ガスの放出が爆発的に層間を拡げて形成された膨張黒鉛をシート状に圧縮したものである。膨張黒鉛シートは、六角板状扁平な結晶の六炭素環の積層構造における層間が剥離された膨張黒鉛を圧延して成形したものである。膨張黒鉛シートは、安価である。

膨張黒鉛シートは、例えば、次のようにして製造することができる。まず、天然黒鉛、キャッシュ黒鉛などを、硫酸、硝酸などに浸漬させ、４００℃以上で熱処理を行うことによって、膨張黒鉛を得る。次に、膨張黒鉛を圧縮して、シート状の原シートを得る。次に、原シートにハロゲンガスなどを接触させ、原シートに含まれる硫黄、鉄などの不純物を除去し、純化シートを得る。次に、純化シートを圧延成形することにより、膨張黒鉛シートを得る。

膨張黒鉛シート２は、黒鉛と同じ六角板状の扁平な結晶構造を有する。膨張黒鉛シート２の表面２ａの少なくとも一部は、結晶のｃ面が露出した平坦なｃ面露出部２ａ１を有する。このｃ面露出部２ａ１の結晶構造は、黒鉛の結晶構造のｃ面に相当する構造を有する。すなわち、膨張黒鉛シート２のｃ面露出部２ａ１は、ｓｐ^２炭素が結合した六炭素環構造に由来する構造を有する。

膨張黒鉛シート２の表面２ａの面積のうち、ｃ面露出部２ａ１の占める面積の割合（（ｃ面露出部２ａ１の占める面積）／（膨張黒鉛シート２の表面２ａの面積）×１００）は、５％〜９５％程度であることが好ましく、１０％〜９０％程度であることがより好ましい。

膨張黒鉛シート２の厚みは、０．０１〜２．０ｍｍ程度であることが好ましく、０．０５〜１．０ｍｍ程度であることがより好ましい。膨張黒鉛シート２のかさ密度は、０．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３程度であることが好ましく、０．７〜２．０ｇ／ｃｍ^３程度であることがより好ましい。膨張黒鉛シート２の表面粗さは、Ｒａ＝５０以下であることが好ましく、Ｒａ＝２５以下程度であることがより好ましい。なお、本発明において、表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に規定される算術平均粗さである。

膨張黒鉛シート２の表面２ａの少なくとも一部の上には、結晶性窒化ガリウム層３が設けられている。具体的には、結晶性窒化ガリウム層３は、膨張黒鉛シート２のｃ面露出部２ａ１の上に設けられている。結晶性窒化ガリウム層３は、窒化ガリウムの単結晶及び多結晶の少なくとも一方により構成されている。結晶性窒化ガリウム層３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶がエピタキシャル成長したものであってもよい。結晶性窒化ガリウム層３の厚みは、１０〜５００ｎｍ程度であることが好ましく、５０〜２００ｎｍ程度であることがより好ましい。

膨張黒鉛シート２の表面２ａの面積のうち、結晶性窒化ガリウム層３が設けられた部分の面積の割合（（結晶性窒化ガリウム層３が設けられた部分の面積）／（膨張黒鉛シート２の表面２ａの面積）×１００）は、５％〜９５％程度であることが好ましく、１０％〜９０％程度であることがより好ましい。

次に、本実施形態に係る黒鉛材１の製造方法の一例について説明する。まず、膨張黒鉛シート２を準備する。次に、膨張黒鉛シート２の表面２ａの一部の上に、結晶性窒化ガリウム層３を形成する。具体的には、膨張黒鉛シート２の表面２ａの一部のｃ面露出部２ａ１の上に、有機金属気相成長法などにより、窒化ガリウムの結晶をエピタキシャル成長させて、結晶性窒化ガリウム層３を形成してもよい。

黒鉛の結晶構造は、図２に示されるような、六角板状構造である。黒鉛の結晶構造のｃ面は、ｓｐ^２炭素の六炭素環構造に由来する平面構造を有する。一方、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶構造は、図３に示されるような六炭素環構造を有する。黒鉛の六炭素環構造における一辺の原子間距離は、０．１４２ｎｍである。窒化ガリウムの六炭素環構造における一辺の原子間距離は、０．２７６ｎｍである。窒化ガリウムの六炭素環構造における一辺の原子間距離は、黒鉛の六炭素環構造における一辺の原子間距離の２倍周期となっているため、黒鉛の結晶構造のｃ面の上には、窒化ガリウムの結晶が配置され得る。膨張黒鉛シート２の表面２ａには、ｃ面露出部２ａ１が多数存在し、このｃ面露出部２ａ１は、黒鉛の結晶構造のｃ面に相当する構造を有する。よって、膨張黒鉛シート２のｃ面露出部２ａ１の上にも、窒化ガリウムの結晶が配置され得る。従って、膨張黒鉛シート２の表面２ａの少なくとも一部の上に、結晶性窒化ガリウム層３を設けることができる。また、膨張黒鉛シート２のｃ面の構造と窒化ガリウムの結晶構造から、膨張黒鉛シート２のｃ面露出部２ａ１の上には、窒化ガリウムの結晶をエピタキシャル成長させることが可能であることがわかる。

膨張黒鉛シート２の表面２ａの少なくとも一部の上に結晶性窒化ガリウム層３が設けられた黒鉛材１は、光電変換素子などの半導体素子などとして好適に使用することができる。

また、膨張黒鉛シート２のｃ面露出部２ａ１は、上記のような製造方法から、表面２ａの上全体に分散されて存在する。黒鉛材１においては、例えば発光素子に用いられた場合、ｃ面露出部２ａ１が分散されていることにより、半導体層間における短絡が防がれ、安定性の高い発光状態が得られる。さらに、黒鉛材１においては、ｃ面露出部２ａ１が分散されていることにより、半導体層の一部に発光しない部分が存在しても、黒鉛材１の面全体が発光しているように見せることが可能である。

以下、本発明について、具体的な実験例に基づいて、さらに詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実験例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実験例）
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、膨張黒鉛シート（東洋炭素株式会社製のＰＦ−２０、厚さ０．２ｍｍ、かさ密度１．０ｇ／ｃｍ^３）の表面のＳＥＭ像を観察した。ＳＥＭ像を図４に示す。図４に示されるように、膨張黒鉛シートの表面には、分散されて平坦部が多く存在していた。

次に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、この膨張黒鉛シートのＡＦＭ像を観察した。ＡＦＭ像を図５に示す。図５に示されるように、膨張黒鉛シートの表面では、原子レベルにおいても、分散された平坦部が多く観察された。

次に、膨張黒鉛シートの結晶構造をＸ線回折法により解析した。その結果、膨張黒鉛シートは、黒鉛と同様の結晶構造を有し、ｃ軸に強く配向していることが確認された。このことから、ＡＦＭ像により観察された平坦部は、黒鉛の結晶構造におけるｃ面に相当する構造を有すると考えられる。

実験例において、膨張黒鉛シートの表面には、原子レベルにおいて、分散されたｃ面露出部が多く存在することが明らかとなった。黒鉛の結晶構造におけるｃ面上には、窒化ガリウムの結晶が配置し得ることから、膨張黒鉛シートの表面には、結晶性窒化ガリウム層を設けることが可能であることが分かる。

１…黒鉛材
２…膨張黒鉛シート
２ａ…表面
２ａ１…ｃ面露出部
３…結晶性窒化ガリウム層

Claims (6)

1. 膨張黒鉛シートと、
   前記膨張黒鉛シートの上に配された結晶性窒化ガリウム層と、
   を備える、黒鉛材。
2. 前記結晶性窒化ガリウム層は、前記膨張黒鉛シートの上に窒化ガリウムの結晶をエピタキシャル成長させてなる、請求項１に記載の黒鉛材。
3. 前記結晶性窒化ガリウム層は、前記膨張黒鉛シートのｃ面露出部の上に配されている、請求項１または２に記載の黒鉛材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の黒鉛材を備える、半導体素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の黒鉛材の製造方法であって、
   前記膨張黒鉛シートを準備する工程と、
   前記膨張黒鉛シートの上に、前記結晶性窒化ガリウム層を形成する工程と、
   を備える、黒鉛材の製造方法。
6. 有機金属気相成長法により、前記膨張黒鉛シート上に、前記結晶性窒化ガリウム層を形成する、請求項４に記載の黒鉛材の製造方法。