JP2009269816A - 窒化ガリウム系材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料の製造方法を提供する。
【解決手段】ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）法によって窒化ガリウム系材料を成長させる。この成長は、Ｈ_２ガスを含むキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを反応室１０に供給し、成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、成長圧力を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下として実施する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム系材料及びその製造方法に係り、特に、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）法を適用した窒化ガリウム系材料の製造方法及びそれによって製造されうる窒化ガリウム系材料に関する。

半導体デバイスが発生する熱を放散するために、半導体デバイスにヒートシンクを取り付けることや、熱伝導率が高い材料からなるサブマウントを介して半導体デバイスをヒートシンクに固定することが知られている。

特許文献１には、ヒートシンク又はサブマウントの材料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用すること、その材料の０〜２００（℃）の範囲内における熱伝導率が１００〜３００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であることが好ましいことが記載されている。しかしながら、特許文献１では、０〜２００（℃）の範囲内における熱伝導率が１００〜３００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であるＧａＮ部材の製造方法について具体的な開示がなされていない。また、特許文献１には、１００〜３００（Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有するＧａＮが得られたとの記載もない。

非特許文献１には、ＧａＮの熱伝導率の温度依存性が記載されている。同文献によると、ＧａＮの熱伝導率は、３００（Ｋ）で１．７（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）である。

非特許文献２には、酸素がドーピングされたＧａＮについての熱伝導率の計測結果が室温で２２５（Ｗ／ｍ・Ｋ）であったことが記載されている（測定方法は、３ω法）。また、同文献には、理想的ＧａＮ結晶の熱伝導率の理論限界が４１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であることが記載されている。

非特許文献３には、Ｃｒｅｅ社のＧａＮ基板の熱伝導率は、室温で、２２０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であることが掲載されている（測定方法は、レーザーフラッシュ法）。

特開２００３−７８０８４号公報

Ｊ．Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｌｉｄｓ， １９７７， Ｖｏｌ．３８， ｐ．３３０ ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔ． ｓｏｌ． （ａ） ２０２， Ｎｏ．１２， Ｒ１３５−Ｒ１３７（２００５） ［平成１７年１２月２２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｒｅｅ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｇａｎ＿ｔｅｃｈ．ｈｔｍ＞

ＧａＮ系材料で構成される半導体デバイスのヒートシンクやサブマウントとして使用される熱伝達部材は、半導体デバイスと熱伝達部材との間の熱膨張率の差による応力の発生を抑える観点において、ＧａＮ系材料で構成されることが好ましい。ＧａＮ系材料でヒートシンクやサブマウントを形成する場合、ＧａＮ系材料は、例えば、少なくとも２５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上、更には２８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の高い熱伝導率を有することが好ましい。しかしながら、上記のように、現時点では、現実に存在し得るであろうＧａＮ系材料は、最も優れているものでも、室温で２２５（Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有するに過ぎない。

高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料は、半導体デバイスの活性層を支持する部分への適用（例えば基板や活性層を含む多層構造部）においても有用であり、このようなＧａＮ系材料の使用により活性層で発生する熱を効率的に外部に移動させることができる。

本発明は、上記のような課題認識を基礎としてなされたものであり、例えば、より高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料の製造方法や、そのようなＧａＮ系材料、更には、それを使った基板、ヒートシンクやサブマウントのような部材を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料の製造方法に係り、前記製造方法は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）法によって窒化ガリウム系材料を成長させる成長工程を含む。前記成長工程では、Ｈ_２ガスを含むキャリアガスと、ＧａＣｌガスと、ＮＨ_３ガスとを反応室に供給し、成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、成長圧力を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、ＧａＣｌガスの分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、ＮＨ_３ガスの分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下とする。

本発明の好適な実施形態によれば、前記キャリアガスは、実質的にＨ_２ガスのみからなってもよい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記キャリアガスは、Ｈ_２ガスの他にＮ_２ガスを更に含んでもよい。この場合において、（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．１以上かつ１未満の範囲となるように前記キャリアガスの供給を調整することが好ましく、０．６以上かつ１未満の範囲となるように前記キャリアガスの供給を調整することが更に好ましく、０．７以上かつ１未満の範囲となるように前記キャリアガスの供給を調整することが最も好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記反応室には、下地基板を支持する支持部が配置され、前記成長工程では、前記下地基板に窒化ガリウム系材料を成長させ、前記反応室には、前記反応室に連通するように配置された導入室から前記キャリアガス、前記ＧａＣｌガス及び前記ＮＨ_３ガスが導入されることが好ましい。ここで、前記導入室の平均断面積が前記反応室の平均断面積よりも小さいことが好ましく、前記導入室の平均断面積が前記反応室の平均断面積の２／３以下であることが更に好ましく、このような条件下において、前記導入室における前記キャリアガスの流速が０．３（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ２．５（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが好ましく、０．５（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ１．７（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが更に好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記反応室には、下地基板を支持面上に支持する支持部が配置され、前記成長工程では、前記下地基板に窒化ガリウム系材料を成長させ、前記反応室には、前記反応室に連通するように配置された導入室から前記キャリアガス、前記ＧａＣｌガス及び前記ＮＨ_３ガスが導入され、前記導入室の平均断面積が前記反応室の前記支持面を含む断面における断面積よりも小さいことが好ましく、前記導入室の平均断面積が前記反応室の前記支持面を含む断面における断面積の２／３以下であることが更に好ましく、このような条件下において、前記導入室における前記キャリアガスの流速が０．３（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ２．５（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが好ましく、０．５（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ１．７（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが更に好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．１以上かつ１未満の範囲となるように前記キャリアガスの供給を調整し、前記反応室には、下地基板を支持する支持部が配置され、前記成長工程では、前記下地基板に窒化ガリウム系材料を成長させ、前記反応室には、前記反応室に連通するように配置された導入室から前記キャリアガス、前記ＧａＣｌガス及び前記ＮＨ_３ガスが導入され、前記導入室の断面積が前記反応室の断面積よりも小さく、前記導入室における前記キャリアガスの流速が０．３（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ２．５（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが好ましく、０．５（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ１．７（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが更に好ましい。

本発明の第２の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、２５（℃）における熱伝導率が２．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上である。

本発明の第３の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、２５（℃）における熱伝導率が３．０×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上である。

本発明の第４の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、２５（℃）における熱伝導率が３．０×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上かつ３．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下である。

本発明の第５の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、２５（℃）における熱伝導率が３．３×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上かつ３．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下である。

本発明の第６の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、２５（℃）における熱伝導率が３．５×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上かつ３．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下である。

本発明の第７の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が３００（ａｒｃｓｅｃ）以下である。

本発明の第８の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００（ａｒｃｓｅｃ）以下である。

本発明の第９の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、酸素濃度が５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満である。

本発明の第１０の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、炭素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満である。

本発明の第１１の側面は、窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に係り、前記材料は、水素濃度が１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満である。

本発明の第１２の側面は、基板、サブマウント、ヒートシンク、その他の部材（熱伝達用部材など）に係り、前記部材は、前記窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料を含む。

本発明によれば、例えば、より高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料及びその応用品を提供することができる。

本発明のＧａＮ系材料の製造方法に好適なＨＶＰＥ装置の概略構成を示す図である。 レーザーフラッシュ法を説明するための図である。 本発明に係るＧａＮ系材料の適用例としての半導体デバイスの構造を例示的に示す図である。 本発明に係るＧａＮ系材料の適用例としての半導体デバイスの構造を例示的に示す図である。 図１に示すＨＶＰＥ装置の構成をより具体的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

本発明の好適な実施形態の窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料の製造方法は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）法によって窒化ガリウム系材料を成長させる成長工程を含む。ここで、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料であり、ＩＩＩ族元素としてガリウム（Ｇａ）を最も多く、またＶ族元素として窒素（Ｎ）を最も多く含む。また、導電型の調整用にＰ型又はＮ型の不純物がドーピングされた窒化ガリウム系材料を含む。

ＧａＮ系材料は、例えば、ＧａＮ基板、ＧａＮ層を含む層が形成された基板、又は、サファイア基板等の基板の上に形成される。ここで、本明細書において、第１要素（例えば、基板、部材、層）の上に第２要素（例えば、部材、層）が形成又は配置されるとは、当該第１要素の上に当該第１要素に接するように当該第２要素が形成又は配置されること、及び、当該第１要素の上に１又は複数の第３要素（例えば、部材、層）を介して当該第２要素が形成又は配置されることを包含するものとする。

図１は、本発明のＧａＮ系材料の製造方法に好適なＨＶＰＥ装置の概略構成を示す図である。図５は、図１に示すＨＶＰＥ装置の構成をより具体的に示す図である。ＨＶＰＥ装置１００は、例えば、縦型のＨＶＰＥ装置として構成されうる。縦型ＨＶＰＥ装置は、横型ＨＶＰＥ装置に比べて層流を形成しやすいために、高品質かつ高均一のエピタキシャル成長膜を再現性よく形成することに好適であり、また、バッチ処理（多数枚同時成長）に有利である。

ＨＶＰＥ装置１００は、反応室１０と、反応室１０内に配置され下地基板（その上にＧａＮ系材料を成長させるべき基板）Ｓを支持面３０Ｓ上に支持する基板支持部３０と、反応室１０に連通するように配置された導入室４０と、ヒータ２０とを備えうる。導入室４０には、キャリアガスＧ１と、ＮＨ_３ガスＧ３と、ＨＣｌガスＧ４が供給されうる。導入室４０内には、液体Ｇａを収容した容器４２が配置されていて、導入室４０内に供給されたＨＣｌガスＧ４は、容器４２内の液体Ｇａと反応してＧａＣｌガスＧ２を生成する。反応室１０内には、導入室４０からキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とが供給されうる。キャリアガスＧ１は、少なくともＨ_２ガスを含む。キャリアガスＧ１は、Ｈ_２ガスの他にＮ_２ガスを含んでもよい。

導入室４０の平均断面積は、反応室１０の平均断面積よりも小さいことが好ましく、導入室４０の平均断面積が反応室１０の平均断面積の２／３以下であることが更に好ましい。他の観点で表現すれば、導入室４０の平均断面積は、反応室１０の支持面３０Ｓを含む断面における断面積よりも小さいことが好ましく、導入室４０の平均断面積は、反応室１０の支持面３０Ｓを含む断面における断面積の２／３以下であることが更に好ましい。このような装置構成によれば、導入室４０におけるキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３の流速を反応室１０におけるそれらの流速よりも速くすることができる。これにより、導入室４０の内壁から中心方向に向かって流れるガス或いは粒子が少なくなるので、導入室４０の内壁から離脱しうる不純物、例えば酸素（Ｏ）やケイ素（Ｓｉ）等が下地基板Ｓ上に形成される窒化ガリウム系材料の膜中に取り込まれる可能性を低減することができる。また、上記のような装置構成によれば、導入室４０から反応室１０にガスが流れ込む部分において、ガスが中心から外側に向かって放射状に流れ易いので、反応室１０の内壁から離脱しうる不純物、例えば酸素やケイ素等が下地基板Ｓ上に形成される窒化ガリウム系材料の膜中に取り込まれる可能性を低減することができる。以上より、導入室４０の平均断面積が反応室１０の平均断面積よりも小さい構成、好ましくは導入室４０の平均断面積が反応室１０の平均断面積の２／３以下である構成、或いは、導入室４０の平均断面積が反応室１０の支持面３０Ｓを含む断面における断面積よりも小さい構成、好ましくは導入室４０の平均断面積が反応室１０の支持面３０Ｓを含む断面における断面積の２／３以下である構成を採用することにより、不純物濃度が制限された良質な窒化ガリウム系材料、特に熱伝導率が向上された窒化ガリウム系材料が得られると考えられる。導入室４０におけるキャリアガスＧ１の流速は、０．３（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ２．５（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが好ましく、０．５（ｍ／ｍｉｎ）以上かつ１．７（ｍ／ｍｉｎ）以下であることが更に好ましい。反応室１０におけるキャリアガスの流速は、大雑把には、導入室４０の断面積と反応室１０の断面積との比に基づいて計算することができる。

ここで、酸素やケイ素は、反応室１０や導入室４０の内壁が石英で構成されている場合に発生し易い。窒化ガリウム系材料の成長中は、反応室１０や導入室４０の内壁に窒化ガリウム系材料の多結晶が堆積しうる。この際に窒化ガリウム系材料が反応室１０や導入室４０の石英内壁の構造に入り込むように該石英内壁に堆積する。これによって石英内壁がダメージを受けて、例えば、微細スクラッチが石英内壁に生じうる。この堆積物をエッチングガス（例えば、ＨＣｌガス）でクリーニングすると、微細スクラッチによって石英パーティクルが発生しうる。このようにして石英パーティクルが発生すると、下地基板への窒化ガリウム系材料の成膜中にその窒化ガリウム系材料膜に酸素やケイ素が混入する可能性がある。

窒化ガリウム系材料を成長させる前記成長工程は、キャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを導入室４０から反応室１０内の下地基板Ｓに供給し、成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、成長圧力（反応室１０内の圧力）を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下として実施されうる。なお、キャリアガスＧ１の分圧は、成長圧力からＧａＣｌガスＧ２の分圧とＮＨ_３ガスＧ３の分圧とを減じた値である。

成長温度は、上記のとおり９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とされうるが、９５０（℃）以上かつ１１５０（℃）以下とされることが好ましく、１０００（℃）以上かつ１１００（℃）以下とされることが更に好ましい。

成長圧力は、上記のとおり８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とされうるが、９．０９×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．１１×１０^５（Ｐａ）以下とされることが好ましく、９．６０×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．０６×１０^５（Ｐａ）以下とされることが更に好ましい。

ＧａＣｌガスＧ２の分圧は、上記のとおり１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とされうるが、２．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ５．６×１０^３（Ｐａ）以下とされることが好ましく、４．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ４．０×１０^３（Ｐａ）以下とされることが更に好ましい。

ＮＨ_３ガスＧ３の分圧は、上記のとおり９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下とされうるが、１．５×１０^３（Ｐａ）以上かつ１．５×１０^４（Ｐａ）以下とされることが好ましく、２．０×１０^３（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下であることが更に好ましい。

キャリアガスＧ１がＨ_２ガスの他にＮ_２ガスを更に含む場合において、（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））は、例えば、０．０５以上かつ１未満の範囲とされることができ、０．１以上かつ１未満の範囲とされること、０．６以上かつ１未満の範囲とされること、０．７以上かつ１未満の範囲とされること、０．８以上かつ１未満の範囲とされることが順に好ましく、０．９以上かつ１未満とされることが最も好ましい。

Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスを（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．０５以上かつ１未満の範囲で含むキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを導入室４０から反応室１０に供給し、成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、成長圧力を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下として成長工程を実施すると、２５（℃）における熱伝導率が２．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上のＧａＮ材料を得ることができる。

Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスを（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．１以上かつ１未満の範囲で含むキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを導入室４０から反応室１０に供給し、成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、成長圧力を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下として成長工程を実施すると、２５（℃）における熱伝導率が３．０×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上、より正確には３０６（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が３００（ａｒｃｓｅｃ）以下、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００（ａｒｃｓｅｃ）以下、酸素濃度が５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、シリコン濃度が５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、炭素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、水素濃度が１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満）のＧａＮ材料を得ることができる。なお、これらの不純物濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定することができる。

Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスを（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．７以上かつ１未満の範囲で含むキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを導入室４０から反応室１０に供給し、成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、成長圧力を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下として成長工程を実施すると、２５（℃）における熱伝導率が３．３×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上、より正確には３２７（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が３００（ａｒｃｓｅｃ）以下、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００（ａｒｃｓｅｃ）以下、酸素濃度が５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、シリコン濃度が５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、炭素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、水素濃度が１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満）のＧａＮ材料を得ることができる。

窒化ガリウム系材料或いは窒化ガリウム材料に導電性を持たせるためには、シリコン（ｎ型の場合）などを意図的にドープすることが好ましい。一方で、高純度材料が必要な場合は、不純物を意図的にドープしない（アンドープ）ことが好ましい。また、非特許文献２に記載されているが、不純物を意図的にドープしないサンプルは、意図的に不純物をドープしたサンプルよりも熱伝導率が高い傾向があり好ましい。不純物としては、例えば、酸素、シリコン、炭素、水素等を挙げることができる。意図的にドープしないサンプルの好ましい不純物濃度は、以下の通りである。

不純物として酸素を意図的にドープしていないサンプルにおいて、酸素濃度は、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることが好ましく、５×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることがより好ましく、２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満があることがさらに好ましい。ただし、酸素のＳＩＭＳ検出下限は、２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

不純物として炭素を意図的にドープしていないサンプルにおいて、炭素濃度は、５×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることが好ましく、３×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることがより好ましく、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることがさらに好ましい。ただし、炭素のＳＩＭＳ検出下限は、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

不純物として水素を意図的にドープしていないサンプルにおいて、水素濃度は、５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが好ましく、３×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることがより好ましく、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることがさらに好ましい。ただし、水素のＳＩＭＳ検出下限は、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

不純物としてシリコンを意図的にドープしていないサンプルにおいて、シリコン濃度は、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが好ましく、５×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることがより好ましく、５×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることがさらに好ましく、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが最も好ましい。ただし、シリコンのＳＩＭＳ検出下限は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

実質的にＨ_２のみからなるキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを導入室４０から反応室１０に供給し、成長温度を１０００（℃）とし、成長圧力を１．０１×１０^５（Ｐａ）とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．１１×１０^３（Ｐａ）とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を４．４５×１０^３（Ｐａ）として成長工程を実施すると、２５（℃）における熱伝導率が３．５×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）、より正確には３４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）、酸素濃度が２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、炭素濃度が２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、水素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満の酸素濃度、炭素濃度、水素濃度のいずれも検出下限未満のＧａＮ材料を得ることができる。

実質的にＨ_２のみからなるキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを導入室４０から反応室１０に供給し、成長温度を１１００（℃）とし、成長圧力を１．０１×１０^５（Ｐａ）とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．１１×１０^３（Ｐａ）とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を４．４５×１０^３（Ｐａ）として成長工程を実施すると、２５（℃）における熱伝導率が３．７×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）、より正確には３７１（Ｗ／ｍ・Ｋ）、酸素濃度が２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、炭素濃度が２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、水素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満の酸素濃度、水素濃度が検出下限未満のＧａＮ材料を得ることができる。

実質的にＨ_２のみからなるキャリアガスＧ１と、ＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを導入室４０から反応室１０に供給し、成長温度を１０７０（℃）とし、成長圧力を１．０１×１０^５（Ｐａ）とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．１１×１０^３（Ｐａ）とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を４．４５×１０^３（Ｐａ）として成長工程を実施すると、２５（℃）における熱伝導率が３．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）、より正確には３８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が６２．０（ａｒｃｓｅｃ）、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が９８．９（ａｒｃｓｅｃ）、酸素濃度が２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、炭素濃度が１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、水素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満の酸素濃度、炭素濃度、水素濃度のいずれも検出下限未満のＧａＮ材料を得ることができる。

ここで、ＧａＮ系材料が単結晶である場合には、Ｘ線ロッキングカーブはシングルピークを示し、その半値幅が狭いほど結晶性が良いことを示す。ＧａＮ系材料の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は、３００（ａｒｃｓｅｃ）以下であることが好ましく、２００（ａｒｃｓｅｃ）以下であることがより好ましく、１００（ａｒｃｓｅｃ）以下でることがより一層好ましいが、上記の条件によれば、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が６２．０（ａｒｃｓｅｃ）のＧａＮ系材料を得ることができる。

また、ＧａＮ系材料の（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は、３００（ａｒｃｓｅｃ）以下であることが好ましく、２００（ａｒｃｓｅｃ）以下でることがより好ましく、１００（ａｒｃｓｅｃ）以下でることがより一層好ましいが、上記の条件によれば、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が９８．９（ａｒｃｓｅｃ）のＧａＮ系材料を得ることができる。

上記の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法にしたがって評価した。熱伝導率を直接求めるためには大きな試料を準備して長時間をかけて計測を行う必要がある。レーザーフラッシュ法では、熱拡散率αをレーザーフラッシュ法により計測し、他の方法により求めた密度ρ及び比熱容量Ｃ_ｐから（１）式にしたがって熱伝導率λを算出する。

λ＝α×ρ×Ｃ_ｐ ・・・（１）
レーザーフラッシュ法は、図２に示すように、直径１０（ｍｍ）、厚さ１〜５（ｍｍ）程度の円板状試料Ｓの表面をパルス幅が数百μｓのレーザー光により均一に加熱した後の試料Ｓの裏面温度変化から熱拡散率を算出する測定法である。断熱条件を仮定した理論解によれば、パルス加熱後の試料Ｓの裏面温度は図２のように上昇し、試料Ｓ内の温度分布が均一化されるのに伴って一定値に収束する。レーザーフラッシュ法は、小さい試料を短時間に測定することができ、解析法が簡明であり、室温から２００（℃）以上の高温に至るまでの計測が可能であるため、熱拡散率の標準的かつ実用的計測法として広く用いられる。

ここで、（１）式の適用において、ＧａＮの密度を６．１５（ｇ／ｃｍ^３）、比熱を４０．８（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）とした（Ｂａｒｉｎ， Ｉ．， Ｏ． Ｋｎａｅｋｅ， ａｎｄ Ｏ． Ｋｕｂａｓｅｈｅｗｓｋｉ， Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ， Ｂｅｒｌｉｎ， １９７７）。

熱拡散率の計測値は、標準試料を使って更正されうる。ここでは、財団法人ファインセラミックセンターから入手可能な多結晶アルミナ（直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を標準試料とした。

試料Ｓの裏面温度の変化から熱拡散率αを算出するアルゴリズムとしては、ｔ_１／２法を使用した。ｔ_１／２法では、図２に示すように、試料Ｓ裏面の過渡温度上昇の半分まで到達するのに要する時間から（２）式にしたがって熱拡散率αを算出する。ここで、ｄは試料Ｓの厚さである。

α＝０．１３８８ｄ^２／ｔ_１／２ ・・・（２）
本発明に係るＧａＮ系材料で構成される基板或いは部材は、例えば、半導体レーザー、発光ダイオード、電子デバイス等のデバイスのエピタキシャル膜成長用基板として好適である。

或いは、本発明に係るＧａＮ系材料で構成される基板或いは部材は、例えば、半導体レーザー、発光ダイオード、電子デバイス等のデバイスのマウント用部材として好適である。

図３、図４は、本発明に係るＧａＮ系材料の適用例としての半導体デバイスの構造を例示的に示す図である。図３に示す適用例では、半導体製品２００は、半導体デバイス２１０と、サブマウント２３０と、ヒートシンク２４０を備えている。半導体デバイス２１０は、サブマウント２３０を介してヒートシンク２４０に固定されている。半導体デバイス２１０が発生する熱は、サブマウント２３０を介してヒートシンク２４０に伝達されて、主としてヒートシンク２４０から放熱されうる。半導体デバイス２１０は、典型的には、活性層を含む多層構造部２１４を含む。多層構造部２１４は、例えば、基板２１２によって支持されうる。基板２１２は、例えば、多層構造部２１４を成長させるためのテンプレート基板であるが、この基板２１２についても本発明に係る熱伝導率の高い窒化ガリウム系材料を使用した場合には、半導体デバイスで発生する熱は主に活性層を含む多層膜２１４で発生するので、基板２１２を通じて効率良く熱を伝達することができる。図３に示す適用例において、本発明に係るＧａＮ系材料で構成される基板或いは部材は、基板２１２、サブマウント２３０及びヒートシンク２４０の少なくとも１つとして使用されうる。

図４に示す適用例では、半導体製品３００は、半導体デバイス２１０と、半導体デバイス２１０に固定されたヒートシンク２５０とを備えている。半導体デバイス２１０が発生する熱は、ヒートシンク２５０に伝達されてヒートシンク２５０から放熱される。半導体デバイス２１０は、典型的には、活性層を含む多層構造部２１４を含む。多層構造部２１４は、例えば、基板２１２によって支持されうる。基板２１２は、例えば、多層構造部２１４を成長させるためのテンプレート基板であるが、この基板２１２についても本発明に係る熱伝導率の高い窒化ガリウム系材料を使用した場合には、半導体デバイスで発生する熱は主に活性層を含む多層膜２１４で発生するので、基板２１２を通じて効率良く熱を伝達することができる。図４に示す適用例において、本発明に係るＧａＮ系材料で構成される基板或いは部材は、基板２１２及びヒートシンク２５０の全部又は一部として使用されうる。

本発明の製造方法によれば、２５（℃）における熱伝導率が２５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上のＧａＮ系材料、更には成長条件の調整により、３００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上、又は、３４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上のＧａＮ系材料を得ることができる。なお、非特許文献２によれば、理想的ＧａＮ結晶の熱伝導率の理論限界が４１０Ｗ／ｍ・Ｋである。

このような高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料は、基板２１２、サブマウント２３０及びヒートシンク２４０、２５０の全部又は一部として有用である。これにより、活性層で発生した熱を効率よく放熱し、活性層の温度上昇を抑制することができる。このような温度上昇の抑制効果は、定電流駆動又は低電圧駆動において、デバイスの特性或いは能力（例えば、光出力）をほぼ一定に維持するために有効であり、また、デバイスの信頼性の向上にも寄与する。高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料は、特に、（超）高出力半導体レーザ、（超）高輝度発光ダイオードなどの発光デバイス、あるいは、パワースイッチング素子、大電力高周波電子素子なでの電子デバイスといったハイパワーデバイスにおいて、素子特性や長期信頼性の向上に大きく寄与する。また、半導体レーザにおいて、高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料を支持基板（結晶成長用基板も含む）として用いた場合、ジャンクション・アップ組立においても、素子特性や長期信頼性に優れた素子特性を実現することができる。

ここで、半導体デバイスの用語には、例えば、電子デバイスや光デバイスが含まれうる。電子デバイスの用語には、例えば、位置センサーとして利用されうるホール素子や、マイクロ波電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：Ｈｅｔｅｒｏ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が含まれうる。光デバイスの用語には、例えば、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ ： ＬＥＤ）、半導体レーザー（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ ： ＬＤ）等が含まれうる。

ＧａＮのように硬度が大きい材料で構成される部材は、ダイシングによる分割が困難であるため、へき開を利用して分割或いは成形がなされることが好ましい。単結晶のＧａＮ系材料で構成される部材であれば、特定の結晶面を有することから、へき開で直方体あるいは立方体の形状を得ることができる。

本発明において、形成されるＧａＮ系材料の結晶系については、立方晶でもよいが、Ｗｕｌｔｚｉｔｅ型構造であることが好ましい。

また、本発明において、形成されるＧａＮ系材料は、多結晶構造であってもよいが、単結晶構造であることが好ましい。何故なら、熱拡散は格子振動によって起こり、単結晶構造は熱拡散の効率がよいからである。また、単結晶構造であれば、特定の結晶面を利用してへき開等によって加工することができるので、直方体あるいは立方体の部材（例えば、ヒートシンク、サブマウント）を比較的容易に得ることができるという利点もある。

成長工程では、ＨＶＰＥ法によってＧａＮ系材料を下地基板上に成長させる。下地基板としては、半導体基板及び誘電体基板のいずれの使用も可能であるが、半導体基板を用いることが好ましい。例えば、下地基板は、その上に成長させようとするＧａＮ系材料の結晶層と格子定数が近接したものが好ましく、格子定数がａ軸方向に０．３０ｎｍ〜０．３６ｎｍであり、ｃ軸方向に０．４８ｎｍ〜０．５８ｎｍである化合物半導体基板を用いることが特に好ましい。

また、下地基板は、立方晶系又は六方晶系に属する結晶構造を有する基板が好ましい。立方晶系の基板としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｄ等を用いることができ、六方晶系の基板としては、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、スピネル、ＺｎＯ等を用いることができる。

下地基板としては、オフ基板を使用することもできる。例えば、サファイア基板であれば、その窒化物半導体結晶層を成長させる面が（ＡＢＣＤ）面又は（ＡＢＣＤ）面から微傾斜した面である基板を用いることができる。ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは自然数を示す。この微傾斜の角度は、通常０°〜１０°、好ましくは０°〜０．５°、より好ましくは０°〜０．２°である。例えば、（０００１）面からｍ軸方向に微傾斜しているサファイア基板を好ましく用いることができる。この他に、例えばａ（１１−２０）面、ｒ（１−１０２）面、ｍ（１−１００）面、これらの面と等価な面及びこれらの面から微傾斜した面も用いることができる。ここで、等価な面とは、立方晶系では９０°、六方晶系では６０°回転させると結晶学的に原子の配列が同じになる面のことをいう。

下地基板の上には、直接に本発明にしたがってＧａＮ系材料を成長させてもよいが、下地基板上に下地層を形成した後に、その下地層の上に本発明にしたがってＧａＮ系材料を成長させてもよい。

下地層は、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ＰＬＤ法（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ； Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ， ２３７／２３９ （２００２） １１５３）、ＨＶＰＥ法等によって形成することができる。これらのうち、好ましいのはＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法及びＰＬＤ法であり、特に好ましいのはＭＢＥ法とＭＯＣＶＤ法である。

ＭＢＥ法は、成長速度は遅いが、薄膜形成において単分子層レベルの精度で結晶成長を制御できるため、表面性に優れた層状の窒化物半導体結晶が得られる。また、ＭＢＥ法は、比較的低温で結晶成長できるため、サファイア或いは酸化亜鉛等の元基板は初期窒化物半導体層及び／又はＧａ含有窒化物半導体結晶層の形成時に使用されるガスによる作用を受けることなく安定な状態を維持しうる。

このような下地層を形成することにより、その上に成長させるＧａＮ系材料からなる層の結晶状態や表面状態を良好なものとすることができる。

一方、ＰＬＤ法はさらに低温（例えば室温）でも成長させることができ、アンモニアガスを使用しないことから、サファイアや、酸化亜鉛のような反応性の高い基板を使用する場合には有利である。 更に、ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法については、一度に２インチ基板なら５０枚を超える枚数を成長可能な装置もあり、他の成長法に比べて量産性が非常に優れていて、工業上の優位性を有する。

下地層の厚さは、その上に形成されるＧａＮ系材料層が安定して良質な結晶性や表面性を備えることができる厚みであれば特に限定されない。生産性の観点では、下地層の厚さは、通常０．１〜５．０（μｍ）であり、好ましくは０．３〜２．０（μｍ）である。

下地層又は下地基板の表面粗さ（Ｒａ）は、１（ｎｍ）以下であることが好ましく、０．８（ｎｍ）以下であることがより好ましく、０．７ｎｍ以下であることがさらに好ましい。ここでいう表面粗さは中心線平均粗さ（Ｒａ）のことであり、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）［原子間力顕微鏡］により表面の凹凸を測定することにより求めることができる。

以下、下地基板としてサファイアを採用し、サファイア基板上に下地層を形成した後に、その下地層上にＧａＮ系材料層を形成する手順を例示的に説明する。

まず、サファイア基板上に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ＨＶＰＥ法等により、通常０．１（μｍ）〜５．０（μｍ）、好ましくは０．３（μｍ）〜２．０（μｍ）の厚みの下地層を形成する。

次に、下地層上に本発明にしたがってＨＶＰＥ法によりＧａＮ系材料層を形成する。Ｇａは、ＨＣｌと反応させてＧａＣｌガスとして反応室１０内に供給し、窒素原料はＮＨ_３ガスとして反応室１０内に供給する。

ＧａとＨＣｌとを反応させてＧａＣｌを生成する反応温度は、約８５０（℃）が好ましい。

その他、ＧａＮ系材料層の成長後に基板を反応室１０から一旦取り出して冷却した後、酸等によるエッチングや研磨、レーザー照射スライシング等の別の工程を設けてもよい。

また、ＧａＮ系材料層の表面には、必要に応じて研磨等の表面処理を実施してもよい。

その他、本発明の目的を逸脱しない範囲内で、上記以外の工程をさらに実施することができる。

下地基板からのＧａＮ系材料層の剥離方法として、レーザーリフトオフを用いてもよい。具体的には、ＧａＮ系材料層の成長後に、下地基板とＧａＮ系材料層との界面にレーザーを照射して界面を高温にさらすことにより、特に窒化ガリウムの窒素成分が抜けるため、界面に残ったＧａを塩酸等で除去することができ、簡単に下地基板を除去することができる。

また、成長装置内で成長後に降温中にＧａＮ系材料層と下地基板との間に生じる応力により、剥離させることも可能である。

以下、本発明の実施例を例示的に説明する。

［実施例１］
下地基板として表面が（０００１）面からなる厚さ４３０（μｍ）、直径２インチのサファイア基板を用意し、これを前処理として有機溶剤で洗浄した。その後、ＭＯＣＶＤ装置により下地基板の上に厚さ２（μｍ）の下地ＧａＮ層を成長させた。

次いで、下地ＧａＮ層を成長させた基板をＨＶＰＥ装置の反応室１０内に配置して、反応温度を１０７０（℃）に昇温した後、ＧａＮ層上に、実質的にＨ_２のみからなるキャリアガスＧ１と、ＧａとＨＣｌの反応生成物であるＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを供給しながら、下地ＧａＮ層上にＧａＮ層を約１５時間にわたって成長させた。この成長工程において、成長圧力を１．０１×１０^５（Ｐａ）とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．１１×１０^３（Ｐａ）とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を４．４５×１０^３（Ｐａ）とした。

次いで、ＧａＮ層を成長させた基板からサファイア基板を取り除いた。これにより、厚さが約１０６０（μｍ）のＳｉドープ（キャリア濃度：ｎ型、４ｘ１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、ホール測定値）自立ＧａＮ単結晶基板が得られた。酸素、炭素および水素不純物濃度は、それぞれ２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、および１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満で、検出限界未満であった。

ＣＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）あるいはＡＦＭで測定した貫通転位密度は、２×１０^６（個／ｃｍ^２）であった。

得られたＧａＮ単結晶基板について、（００２）Ｘ線ロッキングカーブの半値幅を測定したところ６２．０（ａｒｃｓｅｃ）であり、（１０２）Ｘ線ロッキングカーブの半値幅を測定したところ９８．９（ａｒｃｓｅｃ）であった。

その後、得られたＧａＮ単結晶基板の両面を研磨し成形することにより、１０（ｍｍ）角×１（ｍｍ）厚の板状のＧａＮ単結晶サンプルを作製した。

次いで、ＧａＮ単結晶サンプルの熱伝導率を評価するために、レーザーフラッシュ法測定用サンプルを作製した。具体的には、ＧａＮ単結晶サンプルの両面に２００（ｎｍ）程度の金膜を形成し、レーザー照射面側には、更にカーボン膜（厚さは１μｍ弱）を形成してレーザーフラッシュ法測定用サンプルを得た。

得られたレーザーフラッシュ法測定用サンプルをアルバック理工株式会社製から入手可能な全自動レーザーフラッシュ法熱定数測定装置ＴＣ−７０００、及び、財団法人ファインセラミックスセンターから入手可能な熱拡散率測定用標準物質ＴＤ−ＡＬを使用して、レーザーフラッシュ法で測定し、ｔ_１／２法データ解析を行ったところ、室温（２５℃）における熱拡散率は１２７（ｍｍ^２／ｓｅｃ）であった。

熱伝導率は、λ＝α×ρ×Ｃ_ｐ（λ：熱伝導率、α：熱拡散率、Ｃ_ｐ：比熱容量）の関係式をしたがって求めることができる。ここで、ＧａＮの密度を６．１５（ｇ／ｃｍ^３）、ＧａＮの比熱を４０．８（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）（Ｂａｒｉｎ， Ｉ．， Ｏ． Ｋｎａｅｋｅ， ａｎｄ Ｏ． Ｋｕｂａｓｅｈｅｗｓｋｉ， Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ， Ｂｅｒｌｉｎ， １９７７）とした。この方法で求めたＧａＮ単結晶の熱伝導率は、室温で３８６（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

［実施例２］
まず、反応温度を１０００（℃）とする以外は実施例１と同様の条件で、下地ＧａＮ層上にＧａＮ層を成長させた。

次いで、ＧａＮ層を成長させた基板からサファイア基板を取り除いた。これにより、厚さが約１０６０（μｍ）のＳｉドープ（キャリア濃度：ｎ型、４ｘ１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、ホール測定値）自立ＧａＮ単結晶基板が得られた。酸素、炭素および水素不純物濃度は、それぞれ２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、および１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満で、酸素濃度と水素濃度については検出限界未満であった。

ＣＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）あるいはＡＦＭで測定した貫通転位密度は５×１０^６（個／ｃｍ^２）であった。

その後、得られたＧａＮ単結晶基板の両面を研磨し成形することにより、１０（ｍｍ）角×１（ｍｍ）厚の板状のＧａＮ単結晶サンプルを作製した。

次いで、ＧａＮ単結晶サンプルの熱伝導率を評価するために、実施例１と同様にしてレーザーフラッシュ法測定用サンプルを作製した。

得られたレーザーフラッシュ法測定用サンプルを実施例１と同様にして評価したところ、室温（２５℃）における熱拡散率は１１７（ｍｍ^２／ｓｅｃ）であった。

実施例１と同様にして求めたＧａＮ単結晶の熱伝導率は、室温で３４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

［実施例３］
まず、反応温度を１１００（℃）とする以外は実施例１と同様の条件で、下地ＧａＮ層上にＧａＮ層を成長させた。

次いで、ＧａＮ層を成長させた基板からサファイア基板を取り除いた。これにより、厚さが約１０６０（μｍ）のＳｉドープ（キャリア濃度：ｎ型、４ｘ１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、ホール測定値）自立ＧａＮ単結晶基板が得られた。酸素、炭素および水素不純物濃度は、それぞれは２×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、および１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満で、いずれも検出限界未満であった。

ＣＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）あるいはＡＦＭで測定した貫通転位密度は、３×１０^６（個／ｃｍ^２）であった。

その後、得られたＧａＮ単結晶基板の両面を研磨し成形することにより、１０（ｍｍ）角×１（ｍｍ）厚みの板状のＧａＮ単結晶サンプルを作製した。

次いで、ＧａＮ単結晶サンプルの熱伝導率を評価するために、実施例１と同様にしてレーザーフラッシュ法測定用サンプルを作製した。

得られたレーザーフラッシュ法測定用サンプルを実施例１と同様にして評価したところ、室温（２５℃）における熱拡散率は１２４（ｍｍ^２／ｓｅｃ）であった。

実施例１と同様にして求めたＧａＮ単結晶の熱伝導率は、室温で３７１（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

［実施例４］
下地基板として表面が（０００１）面からなる厚さ４３０（μｍ）、直径２インチのサファイア基板を用意し、これを前処理として有機溶剤で洗浄した。その後、ＭＯＣＶＤ装置により下地基板の上に厚さ２（μｍ）の下地ＧａＮ層を成長させた。

次いで、下地ＧａＮ層を成長させた基板をＨＶＰＥ装置の反応室１０内に配置して、反応温度を１０７０（℃）に昇温した後、ＧａＮ層上に、Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスを（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．７となる比率で含むキャリアガスＧ１と、ＧａとＨＣｌの反応生成物であるＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを供給しながら、下地ＧａＮ層上にＧａＮ層を約１５時間にわたって成長させた。この成長工程において、成長圧力を１．０１×１０^５（Ｐａ）とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．１１×１０^３（Ｐａ）とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を４．４５×１０^３（Ｐａ）とした。このときガス流速は、導入室４０で０．９３１（ｍ／ｍｉｎ）であった。

次いで、ＧａＮ層を成長させた基板からサファイア基板を取り除いた。これにより、厚さが１６４３（μｍ）のＳｉドープ（キャリア濃度：ｎ型、３．５ｘ１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、ホール測定値）自立ＧａＮ単結晶基板が得られた。酸素、炭素および水素不純物濃度は、それぞれ３×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満、５×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、および５×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満で、酸素濃度については検出限界未満であった。

ＣＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）あるいはＡＦＭで測定した貫通転位密度は５×１０^６（個／ｃｍ^２）であった。

その後、得られたＧａＮ単結晶基板の両面を研磨し成形することにより板状のＧａＮ単結晶サンプルを作製した。次いで、ＧａＮ単結晶サンプルの熱伝導率を評価するために、実施例１と同様にしてレーザーフラッシュ法測定用サンプルを作製した。得られたレーザーフラッシュ法測定用サンプルを実施例１と同様にして評価したところ、室温（２５度）における熱拡散率は１０９（ｍｍ^２／ｓｅｃ）であった。

実施例１と同様にして求めたＧａＮ単結晶の熱伝導率は、室温で３２７（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

［実施例５］
下地基板として表面が（０００１）面からなる厚さ４３０（μｍ）、直径２インチのサファイア基板を用意し、これを前処理として有機溶剤で洗浄した。その後、ＭＯＣＶＤ装置により下地基板の上に厚さ２（μｍ）の下地ＧａＮ層を成長させた。

次いで、下地ＧａＮ層を成長させた基板をＨＶＰＥ装置の反応室１０内に配置して、反応温度を９７５（℃）に昇温した後、ＧａＮ層上に、ＧａＮ層上に、Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスを（Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．１となる比率で含むキャリアガスＧ１と、ＧａとＨＣｌの反応生成物であるＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを供給しながら、下地ＧａＮ層上にＧａＮ層を約１５時間にわたって成長させた。この成長工程において、成長圧力を１．０１×１０^５（Ｐａ）とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を１．１１×１０^３（Ｐａ）とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を４．４５×１０^３（Ｐａ）とした。このときガス流速は、導入室４０で０．９３１（ｍ／ｍｉｎ）であった。

次いで、ＧａＮ層を成長させた基板からサファイア基板を取り除いた。これにより、厚さが１２７１（μｍ）のＳｉドープ（キャリア濃度：ｎ型、８．９ｘ１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、ホール測定値）自立ＧａＮ単結晶基板が得られた。酸素、炭素および水素不純物濃度は、それぞれ２×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、および１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であった。

ＣＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）あるいはＡＦＭで測定した貫通転位密度は５×１０^６（個／ｃｍ^２）であった。

その後、得られたＧａＮ単結晶基板の両面を研磨し成形することにより板状のＧａＮ単結晶サンプルを作製した。次いで、ＧａＮ単結晶サンプルの熱伝導率を評価するために、実施例１と同様にしてレーザーフラッシュ法測定用サンプルを作製した。得られたレーザーフラッシュ法測定用サンプルを実施例１と同様にして評価したところ、室温（２５度）における熱拡散率は１０２（ｍｍ^２／ｓｅｃ）であった。実施例１と同様にして求めたＧａＮ単結晶の熱伝導率は、室温で３０６（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

［比較例］
下地基板として表面が（０００１）面からなる厚さ４３０（μｍ）、直径２インチのサファイア基板を用意し、これを前処理として有機溶剤で洗浄した。その後、ＭＯＣＶＤ装置により下地基板の上に厚さ２（μｍ）の下地ＧａＮ層を成長させた。

次いで、下地ＧａＮ層を成長させた基板を導入室と反応室が同一断面積であるＨＶＰＥ装置の反応室内に配置して、反応温度を１０１０（℃）に昇温した後、ＧａＮ層上に、ＧａＮ層上に、実質的にＮ_２ガスのみからなるキャリアガスＧ１と、ＧａとＨＣｌの反応生成物であるＧａＣｌガスＧ２と、ＮＨ_３ガスＧ３とを供給しながら、下地ＧａＮ層上にＧａＮ層を約１５時間にわたって成長させた。この成長工程において、成長圧力を１．０１×１０^５（Ｐａ）とし、ＧａＣｌガスＧ２の分圧を２．９１×１０^２（Ｐａ）とし、ＮＨ_３ガスＧ３の分圧を１．１７×１０^４（Ｐａ）とした。このときガス流速は、下地基板の上方の空間において０．１３３（ｍ／ｍｉｎ）であった。

次いで、ＧａＮ層を成長させた基板からサファイア基板を取り除いた。これにより、厚さが１０７２（μｍ）のｎ型（キャリア濃度：９．０ｘ１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、ホール測定値）自立ＧａＮ単結晶基板が得られた。酸素、炭素および水素不純物濃度は、それぞれ１×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、６×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、および６×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であった。

その後、得られたＧａＮ単結晶基板の両面を研磨し成形することにより板状のＧａＮ単結晶サンプルを作製した。次いで、ＧａＮ単結晶サンプルの熱伝導率を評価するために、実施例１と同様にしてレーザーフラッシュ法測定用サンプルを作製した。得られたレーザーフラッシュ法測定用サンプルを実施例１と同様にして評価したところ、室温（２５度）における熱拡散率は８４．３（ｍｍ^２／ｓｅｃ）であった。実施例１と同様にして求めたＧａＮ単結晶の熱伝導率は、室温で２５３（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

以上より、本発明によって２５（℃）における熱伝導率が３．０×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の窒化ガリウム材料が得られることがわかる。

上記サンプルでは不純物としてのシリコン濃度が比較的高濃度（４ｘ１０^１７ｃｍ^−３））であったが、シリコン濃度を２×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）と低くすると、さらに熱伝導率を高めることが可能と考えられる。

上記実施例では、高い熱伝導率を有するＧａＮ系材料をＨＶＰＥ法で作製したが、ソルボサーマル法（アモノサーマル法）、液相成長法、有機金属気相成長法などの他の成長法を用いても、酸素、炭素、水素、シリコンの不純物濃度を上記の範囲内となるようにＧａＮ系材料を作製すれば、ＨＶＰＥ法と同様な高い熱導電率を実現することができると考えられる。

上記実施例では、窒化ガリウムの高熱伝導性について説明したが、窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とする窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、あるいはＩＩＩ族元素としてガリウム（Ｇａ）を最も多く、またＶ族元素として窒素（Ｎ）を最も多く含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料であれば、同様な高熱伝導率が得られる。

１００ ＨＶＰＥ装置
１０ 反応室
２０ ヒータ
３０ 基板支持部
３０Ｓ 支持面
４０ 導入室
Ｓ 下地基板
Ｇ１ キャリアガス
Ｇ２ ＧａＣｌガス
Ｇ３ ＮＨ_３ガス
２００、３００ 半導体製品
２１０ 半導体デバイス
２１２ 基板
２１４ 多層構造部
２３０ サブマウント
２４０ ヒートシンク
２５０ ヒートシンク

Claims (19)

1. ２５（℃）における熱伝導率が２．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
2. ２５（℃）における熱伝導率が３．０×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
3. ２５（℃）における熱伝導率が３．０×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上かつ３．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
4. ２５（℃）における熱伝導率が３．３×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上かつ３．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
5. ２５（℃）における熱伝導率が３．５×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上かつ３．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
6. （００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が３００（ａｒｃｓｅｃ）以下であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
7. （１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００（ａｒｃｓｅｃ）以下であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
8. 酸素濃度が５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
9. 炭素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
10. 水素濃度が１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることを特徴とする窒化ガリウム系材料。
11. ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）法による成長工程を経て製造された窒化ガリウム系材料であって、
    ２５（℃）における熱伝導率が２．８×１０^２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であり、
    前記成長工程では、Ｈ_２ガスを含むキャリアガスと、ＧａＣｌガスと、ＮＨ_３ガスとが反応室に供給され、成長温度が９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とされ、成長圧力が８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とされ、ＧａＣｌガスの分圧が１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とされ、ＮＨ_３ガスの分圧が９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下とされた条件において、前記反応室に配置された下地基板の上に前記窒化ガリウム系材料が成長し、
    前記反応室には、前記反応室に連通するように配置された導入室から前記キャリアガス、前記ＧａＣｌガス及び前記ＮＨ_３ガスが導入され、前記導入室の平均断面積が前記反応室の平均断面積よりも小さい、
    ことを特徴とする窒化ガリウム系材料。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系材料を含む部材。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系材料を含む熱伝達用部材。
14. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系材料を含むサブマウント。
15. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系材料を含むヒートシンク。
16. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系材料からなる基板。
17. 窒化ガリウム系材料の製造方法であって、
    ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）法によって窒化ガリウム系材料を成長させる成長工程を含み、
    前記成長工程では、
    実質的にＨ_２ガスのみからなるキャリアガスと、ＧａＣｌガスと、ＮＨ_３ガスとを反応室に供給し、
    成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、
    成長圧力を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、
    ＧａＣｌガスの分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、
    ＮＨ_３ガスの分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下とする、
    ことを特徴とする窒化ガリウム系材料の製造方法。
18. 窒化ガリウム系材料の製造方法であって、
    ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）法によって窒化ガリウム系材料を成長させる成長工程を含み、
    前記成長工程では、
    Ｈ_２ガスおよびＮ_２ガスを含むキャリアガスと、ＧａＣｌガスと、ＮＨ_３ガスとを反応室に供給し、
    成長温度を９００（℃）以上かつ１２００（℃）以下とし、
    成長圧力を８．０８×１０^４（Ｐａ）以上かつ１．２１×１０^５（Ｐａ）以下とし、
    ＧａＣｌガスの分圧を１．０×１０^２（Ｐａ）以上かつ１．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、
    ＮＨ_３ガスの分圧を９．１×１０^２（Ｐａ）以上かつ２．０×１０^４（Ｐａ）以下とし、
    （Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．６以上かつ１未満の範囲となるように前記キャリアガスの供給を調整することを特徴とする窒化ガリウム系材料の製造方法。
19. （Ｈ_２ガスの分圧）／（（Ｈ_２ガスの分圧）＋（Ｎ_２ガスの分圧））が０．７以上かつ１未満の範囲となるように前記キャリアガスの供給を調整することを特徴とする請求項１８に記載の窒化ガリウム系材料の製造方法。

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