(57)【要約】  ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶（１０）の製造方法は、昇華法によりＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させる方法であって、以下の工程を備えている。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶と同一の組成比ｘを有する下地基板が準備される。高純度の原料が準備される。原料を昇華させて下地基板上にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶が成長される。またＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）は、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が１００ｃｍ-1以下であり、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が２１ｃｍ-1以下である。
2010001804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇華法によりＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶（１０、１２）を成長させる方法であって、
前記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０、１２）と同一の組成比ｘを有する下地基板（１１）を準備する工程と、
高純度の原料（１７）を準備する工程と、
前記原料（１７）を昇華させて前記下地基板（１１）上に前記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０、１２）を成長させる工程とを備えた、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）の製造方法。
【請求項２】
前記成長させる工程では、３００μｍ以上の厚みを有する前記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０、１２）を成長させる、請求の範囲第１項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）の製造方法。
【請求項３】
ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶（１０）において、
３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が１００ｃｍ-1以下であることを特徴とする、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項４】
ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶（１０）において、
３００Ｋで測定された、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が２１ｃｍ-1以下であることを特徴とする、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項５】
転位密度が１．３×１０5ｃｍ-2以下であることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項６】
酸素濃度が５．８×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項７】
表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下の主表面（１０ａ）を有することを特徴とする、請求の範囲第３項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項８】
５ｍｍ以上の幅または直径を有し、かつ３００μｍ以上の厚みを有することを特徴とする、請求の範囲第３項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項９】
請求の範囲第３項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて作製された、光学部品（２０、３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶および光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００７−７０２１８号公報（特許文献１）に開示の高圧放電ランプなどの発光管、殺菌、医療、バイオ、次世代の高密度ＤＶＤに用いられる窒化物半導体を用いた紫外域から深紫外域のＬＥＤ（Light  Emitting  Diode：発光ダイオード）、ＬＤ（Laser  Diode：ＬＤ）などの発光素子の窓材は、紫外域から深紫外域（２５０ｎｍ〜３５０ｎｍ）の光に対する透光性が必要とされる。【０００３】
上記波長領域において透光性を有する材料として、上記特許文献１、特開昭６０−１９３２５４号公報（特許文献２）、特開２００５−１１９９５３号公報（特許文献３）および特開２００５−１６６４５４号公報（特許文献４）には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）焼結体が用いられることが開示されている。【０００４】
また、特開２０００−１２１８０１号公報（特許文献５）および特開２００６−４４９８２号公報（特許文献６）には、上記材料としてＡｌＮ単結晶が用いられることが開示されている。特許文献５のＡｌＮ単結晶は、異種基板上にスパッタ法で成膜されている。特許文献６のＡｌＮ単結晶は、ＨＶＰＥ（Hydride  Vapor  Phase  Epitaxy：ハイドライド気相成長）法によって成膜されている。【０００５】
また、特開平６−２６５７０１号公報（特許文献７）には、上記材料としてＡｌＮ膜が用いられることが開示されている。特許文献７のＡｌＮ膜は、ガラス基板上に成膜されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７０２１８号公報
【特許文献２】特開昭６０−１９３２５４号公報
【特許文献３】特開２００５−１１９９５３号公報
【特許文献４】特開２００５−１６６４５４号公報
【特許文献５】特開２０００−１２１８０１号公報
【特許文献６】特開２００６−４４９８２号公報
【特許文献７】特開平６−２６５７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１〜４に開示のＡｌＮ焼結体は、結晶欠陥が多い。また、Ａｌ2Ｏ3(サファイア)、Ｙ2Ｏ5（酸化イットリウム）、ＣａＯ2（過酸化カルシウム）などの焼結助剤を用いるため、ＡｌＮ焼結体中に含まれる酸素濃度が高い。さらに、ＡｌＮ焼結体は、表面の研磨の際に脱粒が生じるため、表面の平坦化が困難である。このため、紫外域から深紫外域の波長の光に対する透光性が十分でないという問題があった。【０００８】
上記特許文献５および６のＡｌＮ単結晶および上記特許文献７のＡｌＮ膜は、その製造方法から、配向膜である。このため、表面で光を反射してしまうので、紫外域から深紫外域の波長の光に対する透光性が十分でないという問題があった。【０００９】
したがって、本発明は、紫外域から深紫外域の透光性を向上したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶および光学部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶に着目し、このＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の透光性を向上することを目的として鋭意研究した結果、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の透光性は、酸素濃度および転位密度と相関があることを見出した。その理由を本発明者は以下のように見出した。【００１１】
すなわち、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶に含まれるＯ（酸素）原子は、Ｎ（窒素）原子と置換され（置換酸素原子ＯN）、かつＡｌ（アルミニウム）原子の格子欠陥（空孔欠陥ＶAl）と結合して、複合欠陥ＶAl−ＯNを形成する。この複合欠陥ＶAl−ＯNは双極子モーメントを形成して、紫外光が照射されると活性化されバンドギャップ内に吸収準位を形成する。このため、この吸収準位を減らすことにより、紫外域から深紫外域の吸収係数を低減できる。【００１２】
そこで、本発明のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法は、昇華法によりＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶を成長させる方法であって、以下の工程を備えている。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶と同一の組成比ｘを有する下地基板が準備される。高純度の原料が準備される。原料を昇華させて下地基板上にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶が成長される。【００１３】
本発明のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法によれば、成長させるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶と同一の組成の下地基板を用いているので、成長させるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の結晶性を良好にすることができる。また、高純度の原料によりＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させているので、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶に含まれる酸素などの不純物を低減することができる。このため、結晶性が良好で、高純度のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長することができる。本発明者は、酸素濃度および転位密度が低いほど、この複合欠陥ＶAl−ＯNが少なくなることを見出した。このため、複合欠陥ＶAl−ＯNを低減することができるので、複合欠陥ＶAl−ＯNに関与するバンドギャップ内の２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の吸収準位を低減することができる。その結果、２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数を上述したように、低減することができる。したがって、紫外域から深紫外域の透光性を向上したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を製造することができる。【００１４】
なお、上記「高純度の原料」とは、原料中の不純物濃度が昇温ガス脱離分析等において０．０４ｗｔ％以下、好ましくは０．０２５ｗｔ％以下、さらに好ましくは０．０１ｗｔ％以下であることを意味する。つまり、原料に含まれる不純物は、積極的に含まれずに不可避的にのみ含まれる場合と、０．０４ｗｔ％以下の不純物が含まれる場合とがある。【００１５】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法において好ましくは、成長させる工程では、３００μｍ以上の厚みを有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させる。【００１６】
本発明者は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を厚く成長させると、成長させるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶に発生する転位密度を低減できることを見出した。特に、３００μｍ以上の厚みを有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させることにより、その転位密度を効果的に低減できることを見出した。このため、吸収係数をより低減したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させることができる。したがって、透光性をより向上することができる。【００１７】
本発明の一の局面におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（０＜ｘ≦１）は、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が１００ｃｍ-1以下であることを特徴としている。【００１８】
本発明の他の局面におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）は、３００Ｋで測定された、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が２１ｃｍ-1以下であることを特徴としている。【００１９】
本発明の一および他の局面におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶によれば、上述した本発明のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法により製造することにより、不純物濃度および転位密度を低減したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を製造することができる。このため、上記のように低い吸収係数を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶が得られる。したがって、透光性を向上するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を実現することができる。【００２０】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶において好ましくは、転位密度が１．３×１０5ｃｍ-2以下であることを特徴としている。【００２１】
これにより、複合欠陥ＶAl−ＯNをより低減することができるので、吸収係数をより低減できる。このため、透光性をより向上することができる。【００２２】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶において好ましくは、酸素濃度が５．８×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴としている。【００２３】
これにより、置換酸素原子ＯNを低減することで、複合欠陥ＶAl−ＯNをより低減することができる。このため、吸収係数をより低減できるので、透光性をより向上することができる。【００２４】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶において好ましくは、表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下の主表面を有することを特徴としている。【００２５】
これにより、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の主表面での光の反射を低減できるので、上記波長の光の透光性をより向上することができる。【００２６】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶において好ましくは、５ｍｍ以上の幅または直径を有し、かつ３００μｍ以上の厚みを有することを特徴としている。【００２７】
これにより、光学部品に必要な大きさと強度とを維持できる。また、３００μｍ以上の厚みとすることにより、転位密度を効果的に低減できるので、吸収係数をより低減できる。このため、透光性をより向上することができる。【００２８】
本発明の光学部品は、上記いずれかに記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて作製される。【００２９】
本発明の光学部品によれば、透光性を向上したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いているので、性能を向上した光学部品を実現することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶および光学部品によれば、紫外域から深紫外域の透光性を向上したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造に使用可能な成長装置である。
【図４】本発明の実施の形態１における下地基板を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させた状態を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における光学部品を概略的に示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態２の変形例における光学部品を概略的に示す斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態２における光学部品の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶を概略的に示す断面図である。まず、図１を参照して、本実施の形態におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶について説明する。なお、組成比ｘは、ＡｌおよびＧａのモル比である。
【００３４】
図１に示すように、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は、主表面１０ａを有している。光学部品に加工しやすい大きさおよび機械的強度を有する観点から、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の幅または直径が５ｍｍ以上で、かつ厚さが３００μｍ以上であることが好ましい。同様の観点から、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の幅または直径が１０ｍｍ以上で、かつ厚さが１０００μｍ以上であることが好ましい。
【００３５】
ここで、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の幅とは、単結晶の主表面１０ａが多角形状のとき、その主表面１０ａにおいて中央部を挟んで対向する任意に特定される２つの頂点間の距離を意味する。またＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の直径とは、単結晶の主表面１０ａが円状または楕円状のとき、その主表面１０ａにおいて任意に特定される直径のうち最大の長さを意味する。
【００３６】
またＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の主表面１０ａは、主表面１０ａでの光の反射を低減して、透光性をより向上することができる観点から、表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましく、１ｎｍであることがさらに好ましい。
【００３７】
ここで、表面粗さＲＭＳとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に規定する表面の二乗平均粗さ、すなわち、平均面から測定面までの距離（偏差）の二乗を平均した値の平方根を意味する。
【００３８】
３００Ｋで測定された、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の吸収係数は、２１ｃｍ-1以下であり、１５ｃｍ-1以下が好ましく、５ｃｍ-1以下がより好ましく、３ｃｍ-1以下が最も好ましい。この吸収係数の場合、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の光の透光性を向上することができる。
【００３９】
３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の吸収係数は、１００ｃｍ-1以下であり、５０ｃｍ-1以下が好ましく、１０ｃｍ-1以下がより好ましく、８．６ｃｍ-1以下が最も好ましい。この吸収係数の場合、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の光の透光性を向上することができる。
【００４０】
上記「吸収係数」は、たとえば紫外可視分光光度計にて透過率を測定して、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の厚みより算出される値である。
【００４１】
ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の転位密度は、複合欠陥ＶAl−ＯNをより低減することにより吸収係数を低下できる観点から、１．３×１０5ｃｍ-2以下であることが好ましく、９．０×１０4ｃｍ-2以下であることがより好ましく、４．０×１０4ｃｍ-2以下であることが最も好ましい。
【００４２】
なお、上記「転位密度」は、たとえばＥＰＤ（エッチピット）法により測定される値である。ＥＰＤ法とは、たとえば溶融ＫＯＨ（水酸化カリウム）中のエッチングによりできるピットの個数を数えて、単位面積で割ることによって測定する方法である。
【００４３】
ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の酸素濃度は、複合欠陥ＶAl−ＯNをより低減して吸収係数を低減できる観点から、５．８×１０17ｃｍ-3以下であることが好ましく、５．２×１０17ｃｍ-3以下であることがより好ましく、５．１×１０17ｃｍ-3以下であることが最も好ましい。
【００４４】
なお、上記「酸素濃度」は、たとえばＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）による分析により測定される値である。
【００４５】
続いて、図２および図３を参照して、本実施の形態におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法について説明する。図２は、本実施の形態におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法を示すフローチャートである。図３は、本実施の形態におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造に使用可能な成長装置である。
【００４６】
ここで、図３を参照して、本実施の形態における成長装置１００の主要な構成について説明する。この成長装置１００は、昇華法により結晶成長する装置である。
【００４７】
図３に示すように、成長装置１００は、坩堝１０１と、加熱体１２１と、反応容器１２３と、加熱部１２５とを主に備えている。
【００４８】
坩堝１０１は、排気口１０１ａを有している。この坩堝１０１の周りには、坩堝１０１の内部と外部との通気を確保するように加熱体１２１が設けられている。この加熱体１２１の周りには、反応容器１２３が設けられている。この反応容器１２３の外側中央部には、加熱体１２１を加熱するための高周波加熱コイルなどの加熱部１２５が設けられている。
【００４９】
加熱体１２１および反応容器１２３の一方端部には、反応容器１２３内に配置された坩堝１０１へたとえば窒素ガスなどのキャリアガスを流すための導入口１２１ａ、１２３ａが形成されている。加熱体１２１および反応容器１２３の他方端部には反応容器１２３の外部へキャリアガスを排出するための排出口１２１ｂ、１２３ｂが形成されている。また、反応容器１２３の上部および下部には、坩堝１０１の上方および下方の温度を測定するための放射温度計１２７ａ、１２７ｂが設けられている。
【００５０】
なお、上記成長装置１００は、上記以外の様々な要素を含んでいてもよいが、説明の便宜上、これらの要素の図示および説明は省略する。
【００５１】
図４は、本実施の形態における下地基板を概略的に示す断面図である。まず、図２〜図４に示すように、下地基板１１を準備する（ステップＳ１）。下地基板は、成長させるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２（図５参照）と同一の組成比ｘを有する基板である。この下地基板１１は、坩堝１０１の上部に設置する。
【００５２】
次に、高純度の原料１７を準備する（ステップＳ２）。原料１７の不純物濃度は、０．０４ｗｔ％以下、好ましくは０．０２５ｗｔ％以下、さらに好ましくは０．０１ｗｔ％以下であることを意味する。また、原料１７には、焼結助剤は含まれていない。この原料１７は、下地基板１１と互いに向かい合うように、坩堝１０１の下部に設置する。
【００５３】
図５は、本実施の形態におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させた状態を概略的に示す断面図である。次に、図５に示すように、原料１７を昇華させて下地基板１１上にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２を成長させる（ステップＳ３）。このステップＳ３では、昇華法によりＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２を成長させる。
【００５４】
具体的には、原料１７が昇華する温度まで原料１７を加熱部１２５により加熱する。この加熱により、原料１７が昇華して昇華ガスを生成する。この昇華ガスを、原料１７よりも低温に設置されている下地基板１１の表面に再度固化させる。これにより、下地基板１１上にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２が成長する。このＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２は、上述したような低い吸収係数を有している。
【００５５】
次に、下地基板１１を除去する（ステップＳ４）。このステップＳ４は省略されてもよい。除去する場合には、下地基板１１のみを除去してもよく、また下地基板１１およびＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２の一部を除去してもよい。
【００５６】
除去する方法は特に限定されず、たとえば切断、研削、へき開など機械的な除去方法を用いることができる。切断とは、電着ダイヤモンドホイールの外周刃を持つスライサーなどで機械的にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２から少なくとも下地基板１１を除去することをいう。研削とは、砥石を回転させながら表面に接触させて、厚み方向に削り取ることをいう。へき開とは、結晶格子面に沿ってＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２を分割することをいう。なお、エッチングなど化学的な除去方法を用いてもよい。
【００５７】
その後、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２の両面を研削、研磨などにより平坦化する。このＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２は、研磨の際に脱粒を抑制できるので、表面を容易に平坦化できる。この研削、研磨などは省略されてもよいが、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２の表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下になるように、平坦化することが好ましい。
【００５８】
なお、たとえば３０ｍｍ以上の厚みを有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２を成長させる場合には、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２から複数のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を切り出すことができる。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２は単結晶からなるので、容易に分割される。この場合には、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２は結晶性が良好で、かつ製造コストを低減できる。
【００５９】
以上のステップＳ１〜Ｓ４を実施することにより、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を製造することができる。
【００６０】
このように製造されるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は、上述したように、紫外域から深紫域の光に対して、低吸収性を有している。また、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は、その特性から加工が容易であり、ハロゲンガスなどの耐腐食性を向上することができる。
【００６１】
またＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は単結晶なので、多結晶のように結晶の粒界がほとんど存在せず、かつ研磨、研削の際に脱粒することを抑制することができる。このため、光の透過のロスを低減することができる。また、主表面１０ａで光が反射されることを抑制することができる。したがって、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は光の透光性をより向上することができる。
【００６２】
またＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は、原料１７の純度が高いので、焼結体に必要とされる焼結助剤などの不純物を含んでいない。このため、焼結体および多結晶のＡｌxＧａ(1-x)Ｎよりも、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は熱伝導率が高く、熱膨張率のばらつきを抑制できるので、耐熱衝撃性を向上することができる。
【００６３】
さらには、昇華法でＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を成長させているので、厚みを大きくすることができる。このため、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の強度を向上することができる。
【００６４】
したがって、本実施の形態のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は、たとえば高圧放電ランプなどの発光管、殺菌、医療、バイオ、次世代の高密度ＤＶＤに用いられる窒化物半導体を用いた紫外域から深紫外域のＬＥＤ、ＬＤなどの発光素子の窓材、火炎センサーに代表される紫外線検出器などの受光素子などに用いられる窓材などに好適に用いられる。
【００６５】
（実施の形態２）
図６は、本実施の形態における光学部品を概略的に示す斜視図である。図６を参照して、本実施の形態における光学部品２０を説明する。光学部品２０は、実施の形態１で説明したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を用いて作製されたものである。図６に示すように、光学部品２０は、平面形状が四角形の板状である。
【００６６】
図７は、本実施の形態の変形例における光学部品を概略的に示す斜視図である。図７を参照して、変形例における光学部品３０は、平面形状が円形の板状である。
【００６７】
光学部品２０、３０は、たとえば高圧放電ランプなどの発光管、殺菌や医療、バイオ、次世代の高密度ＤＶＤに用いられる窒化物半導体を用いた紫外域から深紫外域のＬＥＤ、ＬＤなどの発光素子の窓材、火炎センサーに代表される紫外線検出器などの受光素子などに用いられる窓材などである。
【００６８】
続いて、本実施の形態における光学部品２０、３０の製造方法について図６〜図８を参照して説明する。なお、図８は、本実施の形態における光学部品２０、３０の製造方法を示すフローチャートである。
【００６９】
図８に示すように、まず、実施の形態１におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を、上述したように製造する（ステップＳ１〜Ｓ４）。
【００７０】
次に、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を用いて光学部品を作製する（ステップＳ５）。このステップＳ５では、図６に示す光学部品２０、図７に示す光学部品３０へ加工する。加工する方法は、特に限定されないが、たとえば研磨、研削などにより行なうことができる。
【００７１】
このステップＳ５では、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０が容易に加工できる硬さであるので、上述した形状に容易に加工することができる。
【００７２】
なお、本実施の形態では、板状の光学部品について説明したが、限定されず、所望の形状が適用され得る。
【実施例】
【００７３】
本実施例では、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対して１００ｃｍ-1以下であり、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対して２１ｃｍ-1以下である吸収係数を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の製造方法について調べた。具体的には、実施の形態１におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２の製造方法にしたがって、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を製造した。【００７４】
（実施例１〜４）
まず、下地基板１１として、下記の表１に記載の１２ｍｍの直径または２インチの直径を有するＡｌＮ基板を準備した（ステップＳ１）。この下地基板１１を、ＷＣ製の坩堝１０１の上部に配置した。このとき、坩堝１０１と同じ材質の蓋に下地基板１１を密着させた。【００７５】
次に、高純度の原料１７を準備した（ステップＳ２）。ステップＳ２では、準備した原料を一度１５００℃以上２０００℃以下に加熱することで不純物を低減し、高純度の原料１７を得た。このようにして、実施例１〜３では不純物濃度が０．０２５ｗｔ％、実施例４では不純物濃度が０．０４０ｗｔ％のＡｌＮ焼成原料を準備した。この原料１７を下地基板１１と対向するように配置した。【００７６】
次に、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２を成長させた（ステップＳ３）。具体的には、以下のように行なった。【００７７】
反応容器１２３中にＮ2ガスを流し、Ｎ2のガス分圧が１０ｋＰａ〜１００ｋＰａになるようＮ2ガス導入量とＮ2排出量とを制御しながら、加熱部１２５としての高周波加熱コイルを用いて坩堝１０１内の温度を昇温した。坩堝１０１の原料１７側の温度を測定している放射温度計１２７ａの指示値が規定の温度に達した後、Ｎ2のガス分圧、原料１７側の放射温度計１２７ａの温度温度、および下地基板１１側の放射温度計１２７ｂの温度が、下記の表１に記載のようになるようにパワー制御した。これにより、原料１７よりＡｌＮを昇華させ、成長時間を４０時間として、下地基板１１上にＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２としてＡｌＮ単結晶を成長させた。その後、室温まで冷却し、坩堝１０１からＡｌＮ単結晶を取り出した。【００７８】
このＡｌＮ単結晶の大きさは下地基板１１とほぼ同じ大きさで、下記の表１に記載の厚みを有していた。また成長速度は下記の表１の通りであった。【００７９】
次に、下地基板を除去した（ステップＳ４）。具体的には、得られたＡｌＮ単結晶を（０００１）面と平行にスライス加工して、下地基板１１を除去するとともに、複数枚の板状の基板（ＡｌＮ単結晶基板）とした。その後、ＡｌＮ単結晶基板の両面を研削により平坦化し、さらに表面をダイヤモンド砥粒で研磨した。これにより、実施例１〜４におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０としてのＡｌＮ単結晶基板を製造した。【００８０】
（比較例１）
比較例１は、基本的には実施例４と同様の構成を備えていたが、下地基板１１としてＳｉＣ基板を準備した点において異なっていた。その他の条件は下記の表１のようにした。【００８１】
（比較例２）
比較例２は、基本的には実施例１〜３と同様の構成を備えていたが、原料の不純物濃度が０．０５０ｗｔ％のＡｌＮ焼成原料を準備した点において異なっていた。その他の条件は下記の表１のようにした。【００８２】
（測定方法）
この実施例１〜４、比較例１および比較例２のＡｌＮ単結晶基板について、吸収係数、転位密度、酸素濃度、表面粗さＲＭＳおよびＦＷＨＭ（Full  Width  at  Half  Maximum：Ｘ線回折におけるロッキングカーブの半値幅）を以下のように測定した。その結果を下記の表１に示す。【００８３】
吸収係数は、紫外可視分光光度計にて透過率を測定して、ＡｌＮ単結晶基板の厚みより算出した。【００８４】
転位密度は、ＥＰＤ法により算出した。具体的には、以下のように算出した。まず、ＫＯＨ：ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）を１：１の割合で白金坩堝中で２５０℃で溶融させた融液中に、ＡｌＮ単結晶基板を３０分間浸漬してＡｌＮ単結晶基板のエッチングを行った。その後、ＡｌＮ単結晶基板を洗浄して、顕微鏡にて表面に発生したエッチピットの単位面積当たりの個数をカウントした。【００８５】
酸素濃度は、ＡｌＮ単結晶基板の中心から切り出した５ｍｍ四方（５ｍｍ×５ｍｍの正方形領域）の試料を用いて、ＳＩＭＳにより測定した。【００８６】
表面粗さＲＭＳは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に準拠して測定した。具体的には、ＡｌＮ単結晶基板におけるＡｌ面側の面の表面粗さＲＭＳを、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて５０μｍ四方（５０μｍ×５０μｍの正方形領域）の視野内で測定した。【００８７】
ＦＷＨＭは、最上部のＡｌＮ単結晶基板の平坦部における（０００２）面について、Ｘ線回折ピークを測定した。【００８８】
【表１】
2010001804.tif 000003
【００８９】
（測定結果）
実施例１〜４のＡｌＮ単結晶基板では、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が２１ｃｍ-1以下であり、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数が７５ｃｍ-1以下と非常に低かった。【００９０】
また実施例１〜４のＡｌＮ単結晶基板の転位密度は、１．３×１０5ｃｍ-2以下と小さかった。また実施例１〜４のＡｌＮ単結晶基板の酸素濃度は、５．８×１０17ｃｍ-3以下と小さかった。また実施例１〜４のＡｌＮ単結晶基板の表面粗さＲＭＳは、４３ｎｍ以下と小さかった。また実施例１〜４のＡｌＮ単結晶基板のＦＷＨＭは、８６ａｒｃｓｅｃ以下と小さく、高品質の結晶であった。【００９１】
一方、比較例１のＡｌＮ単結晶基板は、異種基板上に成長させて製造されたので、転位密度が十分に低減できなかった。このため、２５０ｎｍおよび３００ｎｍの波長の光に対する吸収係数が高かった。【００９２】
また、比較例２のＡｌＮ単結晶基板は、原料の純度が高かったため、不純物である酸素濃度が高かった。このため、２５０ｎｍおよび３００ｎｍの波長の光に対する吸収係数が高かった。【００９３】
以上より、本実施例によれば、原料を高純度にし、かつ成長させるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶と同じ組成の下地基板を用いることにより、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対して１００ｃｍ-1以下で、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対して２１ｃｍ-1以下の低い吸収係数を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を実現できることを確認した。【００９４】
続いて、実施例１〜４および比較例１，２で得られたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて、公知の方法によって、下記の表２に示すように、図６に示すような平面形状が四角形の光学部品、または図７に示すような平面形状が円形の光学部品を作製した。実施例１〜４および比較例１，２の光学部品について、透光性を測定した。透光性は、光学部品に光を入射して透過した割合を調べた。その結果を下記の表２に示す。表２において、透光性の高いグループから順にＡ、Ｂ、Ｃとした。つまり、透光性の最も高かったグループの光学部品をＡとし、透光性の最も低かったグループの光学部品をＣとし、ＡとＣとの間の透光性を有するグループの光学部品をＢとした。ＡおよびＢの光学部品の透光性は優れていた。【００９５】
【表２】
2010001804.tif 000004
【００９６】
表２に示すように、実施例１，２で得られたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶からは透光性が特に高い光学部品が得られた。実施例３，４で得られたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶からは透光性が高い光学部品が得られた。これは、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の透過率が高いためと考えられる。また、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の転位密度が低いこと、酸素濃度が低いことの効果と考えられる。【００９７】
一方、比較例１，２のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて作製した光学部品の透光性は低かった。【００９８】
以上より、本実施例によれば、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長の光に対して１００ｃｍ-1以下で、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対して２１ｃｍ-1以下の低い吸収係数を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて光学部品を作製することにより、透光性を向上した光学部品を実現できることを確認した。【００９９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１００】
１０，１２  ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶、１０ａ  主表面、１１  下地基板、１７  原料、２０，３０  光学部品、１００  成長装置、１０１  坩堝、１０１ａ  排気口、１２１  加熱体、１２１ａ，１２３ａ  導入口、１２１ｂ，１２３ｂ  排出口、１２３  反応容器、１２５  加熱部、１２７ａ，１２７ｂ  放射温度計。
【図１】
2010001804.tif 000005
【図２】
2010001804.tif 000006
【図３】
2010001804.tif 000007
【図４】
2010001804.tif 000008
【図５】
2010001804.tif 000009
【図６】
2010001804.tif 000010
【図７】
2010001804.tif 000011
【図８】
2010001804.tif 000012
【国際調査報告】
2010001804.tif 000013
2010001804.tif 000014
2010001804.tif 000015
2010001804.tif 000016
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