(57)【要約】  本発明の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（１０）を成長させる方法であって、以下の工程を備えている。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１０が成長される。またＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０において、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対する屈折率が２．３以上である。
2010001803.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、
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】
前記準備する工程では、前記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０、１２）と同一の組成を有する前記下地基板（１１）を準備する、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４】
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以下の波長の光に対する屈折率が２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対する屈折率が２．３以上であることを特徴とする、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項５】
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２７ｃｍ-1以下であることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項６】
転位密度が１×１０6ｃｍ-2以下であることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項７】
酸素濃度が１×１０19ｃｍ-3以下であることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶。
【請求項８】
表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下の主表面を有することを特徴とする、請求の範囲第４項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項９】
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４項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）。
【請求項１０】
請求の範囲第４項に記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（１０）を用いて作製された、光学レンズ（２０、３０）。
【請求項１１】
平坦面と、前記平坦面から突出した半球状の曲部とを有し、
前記平坦面が（０００１）面または（０００１）面と平行な面である、請求の範囲第１０項に記載の光学レンズ（２０、３０）。
【請求項１２】
平坦面と、前記平坦面から突出した超半球状の曲部とを有し、
前記平坦面が（０００１）面または（０００１）面と平行な面である、請求の範囲第１０項に記載の光学レンズ（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単結晶および光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＶＤに代表される光記録媒体（光磁気記憶媒体も含む）の大容量化への要求に伴い、記録再生に用いられる光源の短波長化とともに、半導体レーザからの光を集光レンズを介して記憶媒体に集光する収束スポットの小径化が図られている。このような集光レンズとして、紫外域から深紫外域（２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）の波長の光に対して低吸収性を示す、石英に代表されるガラス、サファイヤに代表される酸化物、ダイヤモンドなどが用いられている。また、特開２００３−１６１８０１号公報（特許文献１）には、ＢａＦ2（フッ化バリウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＮａＦ（フッ化ナトリウム）などのフッ化物光学材料が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６１８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ガラス、酸化物などは、屈折率が小さいため開口数に限界があった。このため、収束スポットの小型化が十分でないという問題があった。さらに、上記特許文献１に開示のフッ化物光学材料は、３５０ｎｍ未満の紫外域の光に対する屈折率が１．３〜１．５と小さく、開口数に限界があった。【０００５】
また、ダイヤモンドは、硬いため、微小レンズの表面加工などの加工が難しいという問題があった。【０００６】
このように、２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の紫外域から深紫外域の光に対して大きな屈折率と加工容易性とを併せ持つ材料は、これまで提案されていなかった。また、そのような材料を用いた集光レンズなどの光学レンズは存在しなかった。【０００７】
したがって、本発明は、大きな屈折率と加工容易性とを有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法およびＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、加工容易性を有する材料としてＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０＜ｘ≦１）単結晶に着目した。また本発明者は、このＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の屈折率を向上することを目的として鋭意研究した結果、このＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の屈折率は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶中の不純物濃度と相関があることを見出した。【０００９】
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。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。【００１０】
本発明のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法によれば、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単結晶に含まれる不純物を低減することができる。このため、不純物の導入が抑制された、高純度のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長することができる。これにより、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対して２．４以上の屈折率を有し、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対して２．３以上の屈折率を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を製造することができる。屈折率と開口数とは比例するので、製造したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の開口数を向上することができる。さらに、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶はダイヤモンドよりも硬度が低いので、容易に加工することができる。以上より、大きな屈折率と加工容易性とを有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を製造することができる。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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、より高い屈折率を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させることができる。したがって、開口数をより向上することができる。【００１４】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法において好ましくは、準備する工程では、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶と同一の組成を有する下地基板を準備する。【００１５】
これにより、成長させるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶と下地基板との格子不整合などを抑制できるので、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。このため、より高い屈折率を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を成長させることができる。したがって、開口数をより向上することができる。【００１６】
本発明のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶（０＜ｘ≦１）は、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対する屈折率が２．３以上であることを特徴としている。【００１７】
本発明の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、不純物濃度を低減したＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶が得られる。このため、上記のように高い屈折率を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を実現することができる。したがって、開口数を向上することができるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を実現することができる。また、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶は、ダイヤモンドよりも硬度が低いので加工性に優れている。以上より、大きな屈折率と加工容易性とを有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を製造することができる。【００１８】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶において好ましくは、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２７ｃｍ-1以下であることを特徴としている。【００１９】
本発明者は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶に含まれた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を形成することを見出した。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。そこで、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、含まれる酸素原子を低減することができる。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、３００ｎｍ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。【００２０】
上記ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶において好ましくは、転位密度が１×１０6ｃｍ-2以下であることを特徴としている。【００２１】
これにより、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の結晶性を向上できるので、屈折率を向上できる。このため、開口数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１×１０19ｃｍ-3以下であることを特徴としている。【００２３】
これにより、不純物としての酸素をより低減することができるので、屈折率を向上できる。このため、開口数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、上記波長の光の集光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、光学レンズ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、屈折率をより向上できる。このため、開口数をより向上することができる。【００２８】
本発明の光学レンズは、上記のいずれかに記載のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて作製されている。【００２９】
本発明の光学レンズは、屈折率が高く、かつ加工性に優れたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いているので、性能を向上した光学レンズを実現することができる。【００３０】
上記光学レンズにおいて好ましくは、平坦面と、この平坦面から突出した半球状の曲部とを有し、平坦面が（０００１）面または（０００１）面と平行な面である。【００３１】
ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶は、１つの光学軸を有する一軸性結晶である。このため、光学軸、つまりｃ軸に対して垂直な面である（０００１）面（ｃ面）または（０００１）面と平行な面を入光面とすれば、複屈折による軸ずれを抑制することができる。【００３２】
上記光学レンズにおいて好ましくは、平坦面と、この平坦面から突出した超半球状の曲部とを有し、平坦面が（０００１）面または（０００１）面と平行な面である。【００３３】
これにより、上述したように複屈折による軸ずれを抑制することができる。また、光軸に沿う方向の厚さを大きくできるので、開口数をより向上することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶の製造方法、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶および光学レンズによれば、大きな屈折率と加工容易性とを有する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】
【００３５】
【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における光学レンズとしての集光レンズを概略的に示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態２の変形例における集光レンズを概略的に示す側面図である。
【図８】本発明の実施の形態２における集光レンズ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】
【００３６】
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。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。光学レンズ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。
【００３９】
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。
【００４０】
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できるので、集光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。
【００４１】
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。
【００４２】
ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０において、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対する屈折率が２．３以上である。これにより、開口数を増加することができる。２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満の波長の光に対するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の屈折率は、開口数をさらに増加させる観点から、２．４以上であることが好ましく、２．５以上であることがより好ましい。
【００４３】
なお、屈折率は高い程、開口数を向上できるので好ましいが、容易に製造できる観点から、屈折率の上限はたとえば２．６である。
【００４４】
上記「屈折率」は、たとえば温度を３００Ｋとし、紫外可視分光光度計で絶対５°反射率測定を行い、反射率から算出される値である。
【００４５】
ここで、開口数とは、解像度を示す指標であり、屈折率をｎとし、入射する光軸に対する最大角度をθとすると、ｎｓｉｎθで表される。つまり、開口数は、屈折率に比例する値である。
【００４６】
またＡｌxＧａ(1-x)Ｎ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ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の吸収係数は、複合欠陥ＶAl−ＯNを低減することにより、複合欠陥ＶAl−ＯNに関与する吸収準位を低減することができる観点から、２７ｃｍ-1以下であることが好ましい。また同様の観点から、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の吸収係数が１０ｃｍ-1以下であることが好ましい。
【００４７】
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。
【００４８】
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ができるので、屈折率を向上できる観点から、１×１０6ｃｍ-2以下であることが好ましく、５．６×１０5ｃｍ-2以下であることがより好ましい。
【００４９】
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、単位面積で割るという方法によって測定する方法である。
【００５０】
ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０の酸素濃度は、結晶性を向上して屈折率を向上でき、また複合欠陥ＶAl−ＯNをより低減して吸収係数を低減できる観点から、１×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましく、１．４×１０18ｃｍ-3以下であることがより好ましい。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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と、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とを有している。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。
【００５７】
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。
【００５８】
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）。下地基板は特に限定されず、ＳｉＣ（炭化珪素）基板などの異種基板であってもよいが、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とが好ましい。この下地基板１１は、坩堝１０１の上部に設置する。
【００５９】
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、原料は焼結したＡｌＮ原料を用いることが好ましい。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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、上述したような屈折率を有している。
【００６２】
次に、下地基板１１を除去する（ステップＳ４）。下地基板１１がＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１２と同一の組成比ｘを有する場合には、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、高い屈折率と低吸収性とを有している。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。
【００６８】
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は光の透過率を向上することができる。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
したがって、本実施の形態のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０は、ＤＶＤに代表される光記録再生装置のピックアップ用集光レンズ、小型固体撮像装置に用いる集光レンズ、紫外光顕微鏡の対物レンズなどの材料に好適に用いることができる。
【００７２】
（実施の形態２）
図６は、本実施の形態における光学レンズとしての集光レンズを概略的に示す側面図である。図６を参照して、本実施の形態における光学レンズとしての集光レンズ２０を説明する。集光レンズ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。
【００７３】
図６に示すように、集光レンズ２０は、平坦面２０ａと、この平坦面２０ａから突出した半球状の曲部２０ｂとを有している。つまり、集光レンズ２０は、半球型集光レンズである。平坦面２０ａは平面視において円形の入光面であり、曲部２０ｂは、出光面である。平坦面２０ａは、（０００１）面（ｃ面）または（０００１）面と平行な面であることが好ましい。
【００７４】
図７は、本実施の形態の変形例における集光レンズを概略的に示す側面図である。図７を参照して、変形例における集光レンズ３０は、基本的には集光レンズ２０と同様の構成を備えていたが、超半球型集光レンズである点において異なっている。
【００７５】
具体的には、集光レンズ３０は、平坦面３０ａと、この平坦面３０ａから突出した超半球状の曲部３０ｂとを有している。平坦面３０ａは平面視において円形の入光面であり、曲部３０ｂは、出光面である。平坦面３０ａは、（０００１）面または（０００１）面と平行な面であることが好ましい。超半球型の集光レンズ３０は、半球型の集光レンズ２０と同じ屈折率を有している場合、実効的な開口数を高くすることができる点で有利である。
【００７６】
続いて、本実施の形態における集光レンズ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集光レンズ２０、３０の製造方法を示すフローチャートである。
【００７７】
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）。
【００７８】
次に、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０を用いて集光レンズを作製する（ステップＳ５）。このステップＳ５では、図６に示す集光レンズ２０、図７に示す集光レンズ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。
【００７９】
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。
【００８０】
なお、本実施の形態では、光学レンズとして集光レンズを用いて説明したが、特にこれらに限定されない。また、集光レンズの形状についても、限定されない。
【００８１】
［実施例１］
本実施例では、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対する屈折率が２．３以上である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。
【００８２】
まず、下地基板１１として、２インチのＳｉＣ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。下地基板１１の主表面はＳｉ面であった。
【００８３】
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、不純物濃度が０．０２５ｗｔ％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。
【００８４】
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。
【００８５】
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のガス分圧が５０ｋＰａ、原料１７側の放射温度計１２７ａの測定温度が２０５０℃、下地基板１１側の放射温度計１２７ｂの温度が１７３０℃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。
【００８６】
このＡｌＮ単結晶の大きさは下地基板１１とほぼ同じ２インチで、４．３ｍｍの厚みを有していた。このことから、成長速度は１０８μｍ／ｈと見積もられた。
【００８７】
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、本実施例におけるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶１０としてのＡｌＮ単結晶基板を製造した。
【００８８】
（測定結果）
このＡｌＮ単結晶基板について、屈折率、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。
【００８９】
屈折率は、温度を３００Ｋとし、紫外可視分光光度計で絶対５°反射率測定を行い、反射率から屈折率ｎを算出した。その結果、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率は２．４０以上２．６０以下であり、かつ３００ｎｍ超えて３５０ｎｍ未満の範囲の波長の光に対する屈折率は、２．３０以上２．６０以下と高かった。
【００９０】
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。その結果、２５０ｎｍの波長の光に対する吸収係数は１４２ｃｍ-1、３００ｎｍの波長の光に対する吸収係数は２７ｃｍ-1、３５０ｎｍ未満の波長の光に対する吸収係数は１１ｃｍ-1と小さかった。
【００９１】
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。その結果、転位密度は、１×１０6ｃｍ-2と小さかった。
【００９２】
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。その結果、酸素濃度は、１．４×１０18ｃｍ-3と小さかった。
【００９３】
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。その結果、表面粗さＲＭＳは、４０ｎｍと小さかった。
【００９４】
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。その結果、Ｘ線回折ピークの半値幅が１５ａｒｃｓｅｃと小さく、高品質の結晶であった。
【００９５】
以上より、本実施例によれば、原料を高純度にすることにより、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対して２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対して２．３以上の屈折率を有するＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を実現できることを確認した。
【００９６】
［実施例２］
本実施例では、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対する屈折率が２．３以上であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて作製された光学レンズの効果について調べた。
【００９７】
（本発明例１）
上記実施例１で得られたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて、公知の方法を用いて光学レンズを作製した。形状は図６に示すような半球状レンズとし、平坦面２０ａは単結晶のｃ面となるようにした。これにより、本発明例１の光学レンズを製造した。
【００９８】
（本発明例２）
本発明例２では、下地基板１１としてＡｌＮ基板を準備した。また原料１７として用意したＡｌＮ焼成原料の不純物濃度は０．００８ｗｔ％であった。それ以外は実施例１と同様に結晶成長を行なった。その結果、厚み５．０ｍｍのＡｌＮ単結晶を得た。
【００９９】
次に、本発明例２のＡｌＮ単結晶について、実施例１と同様に結晶評価を行った。その結果を表１に示す。本発明例２では、本発明例１と比べて転位密度の低減、酸素濃度の低減が確認された。光学特性については、本発明例１と比べて屈折率は平均的に高くなり、吸収係数は減少した。その原因としては、下地基板を組成の同じＡｌＮ基板とし、さらに原料の不純物濃度を改善した効果と考えられる。
【０１００】
次に、本発明例２で得られたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて、公知の方法を用いて光学レンズを作製した。形状は図７に示すような超半球状レンズとし、平坦面３０ａは単結晶のｃ面となるようにした。
【０１０１】
（本発明例３）
本発明例３においては、実施例１で得られたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて、公知の方法を用いて光学レンズを作製した。形状は図６に示すような半球状レンズとし、平坦面２０ａは単結晶のｍ面となるようにした。
【０１０２】
（比較例１）
比較例１では下地基板１１としてＡｌＮ基板を準備した。また原料１７として用意したＡｌＮ焼成原料の不純物濃度は０．０５ｗｔ％であった。それ以外は実施例１と同様に結晶成長を行った。その結果、厚み５．０ｍｍのＡｌＮ単結晶を得た。
【０１０３】
次に、比較例１のＡｌＮ単結晶について、実施例１と同様に結晶評価を行った。その結果を表１に示す。比較例１では、転位密度は本発明例１より低く本発明例２より高い結果を得た。また酸素濃度は本発明例１、２に比べて増加が確認された。その原因としては、下地基板を組成の同じＡｌＮ基板とし、原料の不純物濃度が高かった効果と考えられる。光学特性については、本発明例１〜３と比べて屈折率は低くなり、吸収係数は増加した。その原因としては、原料の不純物濃度が高かった効果と考えられる。
【０１０４】
次に、比較例１で得られたＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて、公知の方法を用いて光学レンズを作製した。形状は図６に示すような半球状レンズとし、平坦面２０ａは単結晶のｃ面となるようにした。
【０１０５】
（測定方法）
本発明例１〜３および比較例１の光学レンズの透光性について、光学レンズ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１に示す。表１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レンズをＡとし、透光性の最も低かったグループのレンズをＣとし、ＡとＣとの間の透光性を有するグループのレンズをＢとした。ＡおよびＢのレンズの透光性は優れていた。
【０１０６】
【表１】
2010001803.tif 000003
【０１０７】
（測定結果）
表１に示すように、本発明例１の光学レンズは、透光性に優れ、軸ずれがなかった。本発明例１の光学レンズの透光性が良好な理由は、本発明例１で用いたＡｌＮ単結晶の透過率が高いためと考えられる。また光学軸、つまりｃ軸に対して垂直な面である（０００１）面（ｃ面）を入光面としたので、複屈折による軸ずれを抑制することができたと考えられる。
【０１０８】
また、本発明例２の光学レンズは、表１に示すように、透光性が本発明例１よりも優れ、軸ずれがなかった。本発明例２の光学レンズの透光性が改善した理由は、本発明例２で用いたＡｌＮ単結晶の透過率が高いためと考えられる。また光学軸、つまりｃ軸に対して垂直な面である（０００１）面（ｃ面）を入光面としたので、複屈折による軸ずれを抑制することができたと考えられる。
【０１０９】
本発明例３の光学レンズは、透光性が本発明例１と同程度で、軸ずれがあった。本発明例１および本発明例３の光学レンズに用いたＡｌＮ単結晶が同じであったため、本発明例３の光学レンズの透光性は、本発明例１と同程度であったと考えられる。また光学軸、つまりｃ軸に対して垂直な面である（０００１）面（ｃ面）を入光面としなかったため、複屈折による軸ずれが生じたと考えられる。
【０１１０】
一方、比較例１の光学レンズは、透光性が本発明例１〜３よりも劣り、かつ軸ずれのないレンズであった。レンズの透光性が悪化した理由は比較例１で用いたＡｌＮ単結晶の透過率が低いためと考えられる。また光学軸、つまりｃ軸に対して垂直な面である（０００１）面（ｃ面）を入光面としたので、複屈折による軸ずれを抑制することができたと考えられる。
【０１１１】
以上より、本実施例によれば、３００Ｋで測定された、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が２．４以上で、かつ３００ｎｍを超えて３５０ｎｍ未満の波長の光に対する屈折率が２．３以上であるＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶を用いて光学レンズを作製することにより、透光性を向上した光学レンズを実現できることを確認した。
【０１１２】
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】
【０１１３】
１０，１２  ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ単結晶、１０ａ  主表面、１１  下地基板、１７  原料、２０，３０  集光レンズ、２０ａ，３０ａ  平坦面、２０ｂ，３０ｂ  曲部、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】
2010001803.tif 000004
【図２】
2010001803.tif 000005
【図３】
2010001803.tif 000006
【図４】
2010001803.tif 000007
【図５】
2010001803.tif 000008
【図６】
2010001803.tif 000009
【図７】
2010001803.tif 000010
【図８】
2010001803.tif 000011
【国際調査報告】
2010001803.tif 000012
2010001803.tif 000013
2010001803.tif 000014
2010001803.tif 000015
2010001803.tif 000016
2010001803.tif 000017
2010001803.tif 000018