專利名稱：制造Al_xGa_(1-x)N單晶的方法、Al_xGa_(1-x)N單晶和光學(xué)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造AlxGa(1_x)N單晶的方法、AlxGa(1_x)N單晶和光學(xué)透鏡。
背景技術(shù)：
根據(jù)對(duì)以DVD為代表的光記錄介質(zhì)(包括磁光存儲(chǔ)介質(zhì))的更大儲(chǔ)存容量的要 求，對(duì)于使用于記錄再生的光源短波長(zhǎng)化以及減小對(duì)應(yīng)于來(lái)自半導(dǎo)體激光器的光的會(huì)聚 點(diǎn)存在方法，所述光來(lái)自半導(dǎo)體激光器且通過(guò)聚焦透鏡聚焦到記錄介質(zhì)上。對(duì)于這種聚焦 透鏡，使用玻璃如石英、氧化物如藍(lán)寶石、金剛石等，從而對(duì)波長(zhǎng)在紫外區(qū)域至深紫外區(qū)域 OOOnm至350nm)內(nèi)的光顯示低吸收。日本特開(kāi)2003-161801號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)1)提出了 氟化物光學(xué)材料，如BaF2 (氟化鋇)、CaF2 (氟化鈣)、LiF (氟化鋰)和NaF (氟化鈉)。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2003-161801號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題玻璃和氧化物由于低折射率而具有有限的數(shù)值孔徑。因此，存在會(huì)聚點(diǎn)不夠小的 問(wèn)題。上述專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的氟化物光學(xué)材料對(duì)在350nm以下的紫外區(qū)域內(nèi)的光具有 1. 3至1. 5的低折射率，從而使數(shù)值孔徑受限。從諸如處理小透鏡表面的加工的觀點(diǎn)來(lái)看，也存在金剛石由于其硬度而不利的問(wèn)題。迄今為止，沒(méi)有提出既對(duì)在從紫外區(qū)域至大于或等于200nm且小于或等于350nm 的深紫外區(qū)域內(nèi)的光具有高折射率，也具有加工性的材料。也沒(méi)有基于這種材料的光學(xué)透 鏡如聚焦透鏡。因此，本發(fā)明的目的是提供具有大折射率和加工性的AlxGa(1_x)N單晶，以及制造 AlxGa(1_x)N單晶的方法。解決問(wèn)題的手段本發(fā)明的發(fā)明人仔細(xì)研究了作為具有加工性的材料的AlxGaa_x)N(0 < χ ^ 1) 單晶。作為為了提高該AlxGaa_x)N單晶的折射率而銳意研究的結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，該 AlxGa(1_x)N單晶的折射率與所述AlxGa(1_x)N單晶中的雜質(zhì)濃度相關(guān)。制造本發(fā)明的AlxGaa_x)N單晶的方法涉及通過(guò)升華而生長(zhǎng)AlxGaa_x)N(0 < χ ^ 1) 單晶，并包括下述步驟。準(zhǔn)備底部襯底。準(zhǔn)備高純度的材料。升華原料從而在所述底部襯 底上生長(zhǎng)所述AlxGa(1_x)N單晶。因?yàn)锳lxfeia_x)N單晶是根據(jù)本發(fā)明制造AlxGa(1_x)N單晶的方法從高純度原料生長(zhǎng) 的，所以能夠減少包含在所述AlxGa(1_x)N單晶中的雜質(zhì)。因而，能夠生長(zhǎng)抑制了雜質(zhì)的引入 的高純度AlxGaa_x)N單晶。能夠制造具有在300K下測(cè)得的，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于或等于300nm的光為大于或等于2. 4的折射率，以及對(duì)波長(zhǎng)大于300nm且小于350nm的 為大于或等于2. 3的折射率的AlxGa(1_x)N單晶。因?yàn)檎凵渎逝c數(shù)值孔徑成比例，所以能夠提 高所制造的AlxGa(1_x)N單晶的數(shù)值孔徑。而且，因?yàn)锳lxGaa_x)N單晶的硬度低于金剛石，所 以容易加工。因而，能夠制造具有大折射率和加工性的AlxGa(1_x)N單晶。作為本文中所用的，“高純度原料”是指在熱脫附分析等的情況下，原料中的雜質(zhì) 濃度小于或等于0. (Mwt %，優(yōu)選小于或等于0. 025wt%，進(jìn)一步優(yōu)選小于或等于0. 01wt%o 換言之，原料中的雜質(zhì)相當(dāng)于不是有意地而僅是不可避免地包含雜質(zhì)的情況，以及包含小 于或等于0. 雜質(zhì)的情況。優(yōu)選地，在上述制造AlxGaa_x)N單晶的方法中，生長(zhǎng)步驟包括生長(zhǎng)厚度大于或等于 300 μ m的AlxGa(1_x)N單晶的步驟。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AlxGaa_x)N單晶生長(zhǎng)得厚時(shí)，能夠減小在生長(zhǎng)的AlxGa(1_x) N單晶處產(chǎn)生的位錯(cuò)密度。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，能夠通過(guò)特別生長(zhǎng)厚度大于或等于300 μ m的 AlxGa(1_x)N單晶而有效地減小位錯(cuò)密度。因此，能夠生長(zhǎng)具有更高折射率的AlxGa(1_x)N單晶。 因此，能夠進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑。優(yōu)選地，在上述制造AlxGaa_x)單晶的方法中，準(zhǔn)備步驟包括準(zhǔn)備組成與AlxGa(1_x)N 單晶的組成相同的底部襯底的步驟。因此，能夠抑制在生長(zhǎng)的AlxGaa_x)N單晶和底部襯底之間的晶格失配等，從而使正 在生長(zhǎng)的AlxGa(1_x)N單晶的結(jié)晶度有禾Ij。因此，能夠生長(zhǎng)具有更高折射率的AlxGaa_x)N單晶。 因此，能夠進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑。本發(fā)明的AlxGa(1_x)N單晶(0 < χ彡1)的特征在于，在300Κ下測(cè)得的，對(duì)波長(zhǎng)大于 或等于250nm且小于或等于300nm的光，折射率大于或等于2. 4以及對(duì)波長(zhǎng)大于300nm且 小于350nm波長(zhǎng)的光，折射率大于或等于2. 3。通過(guò)根據(jù)上述本發(fā)明制造AlxGaa_x)N單晶的方法來(lái)制造AlxGa(1_x)N單晶，能夠獲得 具有減小的雜質(zhì)濃度的AlxGa(1_x)N單晶。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有上述高折射率的AlxGa(1_x)N單 晶。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)可以使數(shù)值孔徑得到提高的AlxGaa_x)N單晶。所述AlxGa(1_x)N單晶的加工 性優(yōu)越，因?yàn)槠溆捕鹊陀诮饎偸挠捕?。因而，能夠制造具有大折射率和加工性的AlxGa(1_x) N單晶。優(yōu)選地，所述AlxGa(1_x)N單晶的特征在于，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于300nm且小于350nm 的光，在300K下測(cè)得的吸收系數(shù)小于或等于27CHT1。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，AlxGaa_x)N單晶中含有的0(氧)原子被N(氮)原子取代而 成為取代的氧原子On，且與Al (鋁)原子的晶格缺陷(空位型缺陷Vai)結(jié)合而構(gòu)成復(fù)合缺 陷VA1_0N。復(fù)合缺陷Vai-On形成偶極矩。當(dāng)用紫外線照射所述AlxGaa_x)N單晶時(shí)，使其變成 活性的，從而在帶隙中形成吸收能級(jí)。通過(guò)根據(jù)上述本發(fā)明制造AlxGa(1_x)N單晶的方法來(lái)制 造AlxGa(1_x)N單晶，能夠減少包含的氧原子。因此，能夠減少?gòu)?fù)合缺陷VA1-0N，從而使得在 涉及復(fù)合缺陷Vai-On的帶隙中大于或等于250nm且小于350nm的吸收能級(jí)減少。因此，能 夠減少對(duì)波長(zhǎng)大于或等于300nm且小于350nm的光的吸收系數(shù)，如上所述。優(yōu)選地，上述AlxGa(1_x)N單晶的特征在于，位錯(cuò)密度小于或等于1 X 106cm_2。因?yàn)槟軌蛱岣逜lxGaa_x)N單晶的結(jié)晶度，所以能夠提高折射率。因此，能夠進(jìn)一步 提高數(shù)值孔徑。
優(yōu)選地，上述AlxGa(1_x)N單晶的特征在于，氧濃度小于或等于lX1019cm_3。因此，能夠進(jìn)一步減少確定為雜質(zhì)的氧，從而使得提高了折射率。因此，能夠進(jìn)一 步提高數(shù)值孔徑。優(yōu)選地，上述AlxGa(1_x)N單晶的特征在于，具有表面粗糙度RMS小于或等于IOOnm 的主面。因此，能夠減少在所述AlxGaa_x)N單晶的主面處的光反射，從而使得進(jìn)一步改善了 在上述波長(zhǎng)處的光聚焦。優(yōu)選地，上述AlxGaa_x)N單晶的特征在于，寬度或直徑大于或等于5mm，且厚度大于 或等于300 μ m。 因此，能夠保持光學(xué)透鏡需要的尺寸和強(qiáng)度。而且，因?yàn)橥ㄟ^(guò)取大于或等于300 μ m的 厚度能夠有效減小位錯(cuò)密度，所以能夠進(jìn)一步提高折射率。因此，能夠進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑。使用上述AlxGa(1_x)N單晶制作了本發(fā)明的光學(xué)透鏡。因?yàn)楸景l(fā)明的光學(xué)透鏡使用具有高折射率和優(yōu)越的加工的AlxGaa_x)N單晶，所以 能夠?qū)崿F(xiàn)性能得到改善的光學(xué)透鏡。所述光學(xué)透鏡優(yōu)選包括平面，和從所述平面延伸的半球狀球形部。所述平面是 (0001)面或平行于所述(0001)面的面。所述AlxGaa_x)N單晶是具有一個(gè)光軸的單軸晶體。因此，通過(guò)取垂直于光軸即c軸 的(0001)面(C面)或平行于所述(0001)面的面作為入射面，能夠抑制由雙折射引起的軸 偏向。上述光學(xué)透鏡優(yōu)選包括平面，和從所述平面延伸的超半球狀球形部。所述平面是 (0001)面或平行于所述(0001)面的面。因此，能夠抑制上述由雙折射所引起的軸偏向。而且，能夠進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑， 因?yàn)槟軌蛟黾釉谘毓廨S的方向上的厚度。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的AlxGaa_x)N單晶制造方法、AlxGa(1_x)N單晶和光學(xué)透鏡，能夠?qū)崿F(xiàn)具 有大折射率和加工性的AlxGa(1_x)N單晶。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N單晶的概略截面圖。圖2是表示制造本發(fā)明第一實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N單晶的流程圖。圖3顯示可被用于制造本發(fā)明第一實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N單晶的沉積裝置。圖4是表示本發(fā)明第一實(shí)施方案的底部襯底的概略截面圖。圖5是表示本發(fā)明第一實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N單晶的生長(zhǎng)狀態(tài)的概略截面圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案確定為光學(xué)透鏡的聚焦透鏡的概略側(cè)視圖。圖7是本發(fā)明第二實(shí)施方案的變型的聚焦透鏡的概略側(cè)視圖。圖8是表示制造本發(fā)明第二實(shí)施方案的聚焦透鏡的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式在下文中將參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方案。在附圖中，不重復(fù)具有相同規(guī)定CN 102084040 A
說(shuō)明書(shū)
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的參考符號(hào)的相同或相當(dāng)元件及其描述。(第一實(shí)施方案) 圖1是本實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N(0 < χ ^ 1)單晶的概略截面圖。參考圖1，將首 先描述本實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N單晶。組成比χ是Al和( 的摩爾比。如圖1中所示，AlxGa(1_x)N單晶10具有主面10a。從對(duì)于加工成光學(xué)透鏡的可行 尺寸和具有機(jī)械強(qiáng)度的觀點(diǎn)來(lái)看，AlxGa(1_x)N單晶10優(yōu)選具有大于或等于5mm的寬度或直 徑和大于或等于300 μ m的厚度。從類似的觀點(diǎn)來(lái)看，AlxGa(1_x)N單晶10優(yōu)選具有大于或等 于IOmm的寬度或直徑和大于或等于1000 μ m的厚度。作為本文中所用的，當(dāng)AlxGaa_x)N單晶10的主面IOa為多邊形時(shí)，所述單晶的寬度 是指中心在其間的在所述主面IOa上彼此相對(duì)的任意指定的兩頂點(diǎn)間的距離。當(dāng)AlxGa(1_x) N單晶10的主面IOa是圓形或橢圓形時(shí)，所述單晶的直徑是指在所述主面IOa上的任意指 定的直徑的最長(zhǎng)長(zhǎng)度。因?yàn)锳lxGaa_x)N單晶10的主面IOa能夠減少來(lái)自那里的光反射，因此從進(jìn)一步改 善聚焦的觀點(diǎn)來(lái)看，表面粗糙度RMS優(yōu)選小于或等于lOOnm，更優(yōu)選小于或等于lOnm，且進(jìn) 一步優(yōu)選為lnm。
作為本文中 所用的，表面粗糙度RMS是指以JIS B0601限定的表面的平方平均粗 糙度，即從平均面至測(cè)量面的距離(偏差)的均方根平均值。對(duì)于AlxGa(1_x)N單晶，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于或等于300nm的光，在300K 下測(cè)得的折射率大于或等于2. 4，以及對(duì)波長(zhǎng)大于300nm且小于350nm的光，在300K下測(cè)得 的折射率大于或等于2. 3。因此，能夠增加數(shù)值孔徑。從進(jìn)一步增加數(shù)值孔徑的觀點(diǎn)來(lái)看， 對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于350nm的光，AlxGa(1_x)N單晶10的折射率優(yōu)選大于或等于 2. 4，更優(yōu)選大于或等于2. 5。雖然折射率優(yōu)選為盡可能高，這是因?yàn)槟軌蛱岣邤?shù)值孔徑，但是從容易制造的觀 點(diǎn)來(lái)看，例如，折射率的上限是2. 6。作為本文中所用的，“折射率”是例如，在300K的溫度下，基于通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光 光度計(jì)的絕對(duì)5°反射率的測(cè)量，由反射率計(jì)算的值。作為本文中所用的，數(shù)值孔徑是表示分辨率的指數(shù)，表示為nsin θ，其中η是折射 率且θ是入射對(duì)光軸的最大角度。換言之，數(shù)值孔徑是與折射率成比例的值。從通過(guò)減少?gòu)?fù)合缺陷Vai-On而使得涉及任何復(fù)合缺陷Vai-On的吸收能級(jí)減少的觀 點(diǎn)來(lái)看，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于300nm且小于350nm的光，AlxGaa_x)N單晶10在300K下測(cè)得的吸 收系數(shù)優(yōu)選小于或等于27CHT1。從類似的觀點(diǎn)來(lái)看，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于300nm 的光，AlxGa(1_x)N單晶10在300K下測(cè)得的吸收系數(shù)優(yōu)選小于或等于lOcnT1?！拔障禂?shù)”是通過(guò)經(jīng)由紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定透過(guò)率而由AlxGa(1_x)N單晶10 的厚度計(jì)算的值。從因?yàn)槟軌蜻M(jìn)一步減少任何復(fù)合缺陷Vai-On，所以提高了折射率的觀點(diǎn)來(lái)看， AlxGa(1_x)N單晶10的位錯(cuò)密度優(yōu)選小于或等于1 X 106cm_2，更優(yōu)選小于或等于5. 6 X 105cm_2。“位錯(cuò)密度”是通過(guò)例如，EPD (蝕坑)法測(cè)量的值。在EPD法中，計(jì)算通過(guò)在例如 KOH(氫氧化鉀)熔體中蝕刻而產(chǎn)生的坑數(shù)目并除以單位面積。從提高結(jié)晶度以提高折射率，并進(jìn)一步減少任何復(fù)合缺陷Vai-On以降低吸收系數(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看，Alxfea_x)N單晶10的氧濃度優(yōu)選小于或等于IX IO19CnT3，更優(yōu)選小于或等于
I.4X IO1W30“氧濃度”是通過(guò)基于例如SIMS ( 二次離子質(zhì)譜法)的分析而測(cè)量的值。接著，在下文中將參考圖2和圖3來(lái)描述制造本實(shí)施方案的AlxGaa_x)N單晶的方 法。圖2是表示制造本實(shí)施方案的AlxGaa_x)N單晶的方法的流程圖。圖3顯示了可被用于 制造本實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N單晶的沉積裝置。參考圖3，將描述本實(shí)施方案的沉積裝置100的主要結(jié)構(gòu)。沉積裝置100是基于升 華的晶體生長(zhǎng)裝置。參考圖3，沉積裝置100主要包括坩堝101、加熱體121、反應(yīng)容器123和加熱器 125。坩堝101包括出口 101a。在坩堝101周?chē)源_保與坩堝101內(nèi)外連通的方式設(shè)置 了加熱體121。反應(yīng)容器123位于加熱體121周?chē)?。在反?yīng)容器123的外部中心區(qū)域，布置 諸如高頻加熱盤(pán)管的加熱器125以對(duì)加熱體121進(jìn)行加熱。在加熱體121和反應(yīng)容器123的各自一端處分別設(shè)置了進(jìn)口 121a和123a，以使 得載氣如氮?dú)夥謩e流入配置在反應(yīng)容器123中的坩堝101、以及出口 121b和12 中，從而 使載氣從反應(yīng)容器123中輸出。此外，在反應(yīng)容器123上部和下部分別設(shè)置了輻射溫度計(jì) 127a和127b，從而測(cè)量坩堝101上方和下方的溫度。除了上述那些元件之外，沉積裝置100還可以包括多種元件。為了方便，不對(duì)這種 其它元件進(jìn)行描述。圖4是本實(shí)施方案的底部襯底的概略截面圖。如圖2-4中所示，準(zhǔn)備了底部襯底 11(步驟Si)。不特別限定底部襯底，且可以是另一種類型的襯底如SiC(碳化硅)襯底。優(yōu) 選地，所述底部襯底的組成比X與要生長(zhǎng)的AlxGaa_x)N單晶12的組成比相同(參考圖5)。 將底部襯底11設(shè)置在坩堝101的上部區(qū)域。然后，準(zhǔn)備高純度原料17(步驟S2)。原料17的雜質(zhì)濃度小于或等于0. 04wt%, 優(yōu)選小于或等于0. 025wt%，且進(jìn)一步優(yōu)選小于或等于0. 01wt%。所述原料優(yōu)選包含燒結(jié) 的AlN原料。原料17不包含燒結(jié)助劑。原料17位于坩堝101的下部區(qū)域，面向底部襯底II。圖5是在本實(shí)施方案的生長(zhǎng)狀態(tài)中的AlxGa(1_x)N單晶的概略截面圖。如圖5中所 示，將原料17升華以在底部襯底11上生長(zhǎng)AlxGaa_x)N單晶12(步驟。在步驟S3中，通 過(guò)升華來(lái)生長(zhǎng)AlxGa(1_x)N單晶12。具體而言，通過(guò)加熱器125將原料17加熱至高達(dá)原料17的升華溫度。加熱引起 原料17的升華，從而產(chǎn)生升華氣體。在設(shè)置在低于原料17溫度的溫度下的底部襯底11的 表面處將升華氣體凝固。因此，將AlxGaa_x)N單晶12生長(zhǎng)在底部襯底11上。該AlxGa(1_x)N 單晶12具有上述折射率。然后，除去底部襯底11 (步驟S4)。在底部襯底11具有與AlxGaa_x)N單晶12的組 成比相同的組成比X的情況下，可以省略步驟S4。在除去步驟中，可以僅除去底部襯底11， 或者可以除去底部襯底11以及AlxGa(1_x)N單晶12的一部分。不特別限定除去的方法。例如，可以使用諸如切斷、研削或劈開(kāi)的機(jī)械方法。切斷 是指通過(guò)諸如切片機(jī)等具有金剛石電沉積輪的外周刃的機(jī)械，從AlxGa(1_x)N單晶12上至少除去底部襯底11。研削是指通過(guò)在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)使磨石與表面接觸而在厚度方向上研削掉表 面。劈開(kāi)是指沿微晶格面將AlxGa(1_x)N單晶12分割。也可以使用化學(xué)除去法如蝕刻。然后，通過(guò)研削、研磨等使AlxGa(1_x)N單晶12的兩個(gè)面都變得平坦。該AlxGa(1_x)N 單晶12能夠容易地使其表面平坦，因?yàn)槟軌蛞种圃谘心テ陂g的脫粒。盡管上述研削/研磨 不是必要的，但優(yōu)選使AlxGaa_x)N單晶12變得這樣平坦，從而使得表面粗糙度RMS小于或等 于 lOOnm。例如當(dāng)生長(zhǎng)厚度大于或等于30mm的AlxGa(1_x)N單晶12時(shí)，能夠從AlxGa(1_x)N單晶 12上切掉多個(gè)AlxGaa_x)N單晶10。因?yàn)锳lxGa(1_x)N單晶12是單晶，所以容易進(jìn)行分割。在 這種情況下，AlxGaa_x)N單晶12具有有利的結(jié)晶度，且可以降低制造成本。通過(guò)進(jìn)行上述步驟S1-S4，能夠制造AlxGaa_x)N單晶10。如上述制造的AlxGa(1_x)N單晶10對(duì)在紫外區(qū)域至深紫外區(qū)域內(nèi)的光具有高折射 率和低吸收。而且，借助AlxGaa_x)N單晶10的性能，能夠容易地對(duì)其進(jìn)行加工，且可以改善 其對(duì)鹵素氣體等的耐腐蝕性。因?yàn)锳lxGa(1_x)N單晶10是單晶，所以幾乎不存在諸如多晶的晶粒邊界，且能夠抑 制在研削和研磨期間的脫粒。因此，能夠減少透過(guò)率的損失。而且，能夠抑制來(lái)自主面IOa 的光反射。因而，能夠增加AlxGa(1_x)N單晶10的透過(guò)率。而且，由于原料17的高純度，所以AlxGaa_x)N單晶10不存在雜質(zhì)如燒結(jié)體所需要 的燒結(jié)助劑。因此，與燒結(jié)體和多晶AlxGa(1_x)N相比，AlxGa(1_x)N單晶10具有更高的熱導(dǎo)率， 從而使得可以抑制熱膨脹率的變化。因而，能夠改善耐熱沖擊性。而且，因?yàn)橥ㄟ^(guò)升華生長(zhǎng)AlxGaa_x)N單晶10，所以能夠獲得厚的AlxGaa_x)N單晶 10。因此，能夠提高AlxGa(1_x)N單晶10的強(qiáng)度。本實(shí)施方案的Alxfeia_x)N單晶10適于用作以DVD為典型代表的光記錄再生裝置中 的拾取(pickup)用聚焦透鏡、小型固態(tài)成像裝置中使用的聚焦透鏡、紫外顯微鏡的物鏡等 的材料。(第二實(shí)施方案)圖6是確定為本實(shí)施方案的光學(xué)透鏡的聚焦透鏡的概略側(cè)視圖。在下文中將參考 圖6來(lái)描述本實(shí)施方案的聚焦透鏡20。使用在第一實(shí)施方案中描述的AlxGa(1_x)N單晶10 來(lái)制造聚焦透鏡20。參考圖6，聚焦透鏡20包括平面20a、和從平面20a延伸的半球狀球形部20b。艮口， 聚焦透鏡20是半球型聚焦透鏡。平面20a是俯視圖中的圓形光入射面，且球形部20b是光 輸出面。平面20a優(yōu)選為(0001)面(c面)或平行于所述(0001)面的面。圖7是本實(shí)施方案的變型的聚焦透鏡的概略側(cè)視圖。參考圖7，所述變型的聚焦透 鏡30基本上包括與聚焦透鏡20的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)，不同之處在于它是超半球狀聚焦透鏡。具體而言，聚焦透鏡30包括平面30a、和從平面30a延伸的超半球狀球形部30b。 平面30a是俯視圖中的圓形光入射面，且球形部30b是光輸出面。平面30a優(yōu)選為(0001) 面或平行于所述(0001)面的面。超半球狀聚焦透鏡30是有利的，因?yàn)楫?dāng)具有與半球狀聚 焦透鏡20的折射率相同的折射率時(shí)，能夠增加有效數(shù)值孔徑。在下文中將參考圖6-8來(lái)描述制造本實(shí)施方案的聚焦透鏡20、30的方法。圖8是 表示制造本實(shí)施方案的聚焦透鏡20、30的方法的流程圖。
如圖8所示，首先如上所述制造了第一實(shí)施方案的AlxGaa_x)N單晶10(步驟 S1-S4)。然后，使用AlxGa(1_x)N單晶10制造聚焦透鏡(步驟S5)。在該步驟S5中，將 AlxGa(1_x)N單晶10加工成圖6的聚焦透鏡20/圖7的聚焦透鏡30。能夠通過(guò)，但不特別限 于研磨、研削等來(lái)進(jìn)行加工方法。因?yàn)锳lxfeia_x)N單晶10具有可用于加工的硬度，所以能夠容易地將Alxfeia_x)N單 晶加工成在步驟S5中的上述構(gòu)造。盡管已經(jīng)基于作為光學(xué)透鏡的聚焦透鏡描述了本實(shí)施方案，但本發(fā)明不限于此。 而且，也不限定聚焦透鏡的構(gòu)造。[實(shí)施例1]評(píng)價(jià)了制造AlxGa(1_x)N單晶10的方法，所述Alxfeia_x)N單晶10具有在300K下測(cè) 得的，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于或等于300nm的光為大于或等于2. 4的折射率，以及 對(duì)波長(zhǎng)大于300nm且小于350nm的光為大于或等于2. 3的折射率。具體而言，根據(jù)制造第 一實(shí)施方案的AlxGa(1_x)N單晶12的方法來(lái)制造AlxGaa_x)N單晶10。作為底部襯底11，準(zhǔn)備了 2英寸的SiC襯底(步驟Si)。將該底部襯底11設(shè)置在 由WC制成的坩堝101的上部區(qū)域。在該階段，將底部襯底11牢固地附著至由與坩堝101 的物質(zhì)相同的物質(zhì)形成的蓋。底部襯底11的主面是Si面。然后，準(zhǔn)備高純度原料17(步驟S2)。在步驟S2中，通過(guò)首先將準(zhǔn)備的原料加熱至 大于或等于1500°C且小于或等于2000°C的溫度來(lái)減少雜質(zhì)，從而獲得高純度原料17。因 而，準(zhǔn)備了雜質(zhì)濃度為0.025wt%的AlN燒結(jié)原料。布置該原料17以面向底部襯底11。然后，生長(zhǎng)AlxGa(1_x)N單晶12 (步驟S3)。具體而言，進(jìn)行了下列步驟。將隊(duì)氣引入至反應(yīng)容器123中，且在控制隊(duì)氣引入量和隊(duì)輸出量使得隊(duì)氣分壓 為IOkPa至IOOkPa的同時(shí)，通過(guò)確定為加熱器125的高頻加熱盤(pán)管將坩堝101中的溫度升 高。在輻射溫度計(jì)127a測(cè)定原料17側(cè)坩堝101的溫度指示達(dá)到限定水平的值之后，控制 功率使得隊(duì)氣分壓為50kPa，在原料17側(cè)通過(guò)輻射溫度計(jì)127a測(cè)定的溫度為2050°C，且 在底部襯底11側(cè)通過(guò)輻射溫度計(jì)127b測(cè)定的溫度為1730°C。因此，經(jīng)過(guò)40小時(shí)的沉積周 期從原料17升華了 A1N。在底部襯底11上生長(zhǎng)確定為AlxGaa_x)N單晶12的AlN單晶。繼 冷卻至室溫之后，將所述AlN單晶從坩堝101中取出。該AlN單晶的尺寸為2英寸，基本上與底部襯底11相同，且厚度為4. 3mm。因此， 估計(jì)生長(zhǎng)速率為108μπιΛ。然后，除去底部襯底(步驟S4)。具體而言，將獲得的AlN單晶平行于(0001)面切 片以除去底部襯底11，且獲得了多片襯底(AlN單晶襯底)。然后，通過(guò)研削使AlN單晶襯 底的兩個(gè)面都變得平坦。進(jìn)一步通過(guò)金剛石研削處理來(lái)研磨表面。因而，制造了確定為本 實(shí)施例的AlxGaa_x)N單晶10的AlN單晶襯底。(測(cè)定結(jié)果)該AlN單晶襯底具有如下所述測(cè)定的折射率、吸收系數(shù)、位錯(cuò)密度、氧濃度、表面 粗糙度RMS和FWHM(半寬度通過(guò)X射線衍射的搖擺曲線半寬度)。折射率在300K的溫度下，通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定絕對(duì)5°反射率，以及 由所述反射率計(jì)算折射率η。結(jié)果顯示高值。對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于或等于300nm的光，折射率大于或等于2. 40且小于或等于2. 60，以及對(duì)波長(zhǎng)大于300nm且小于350nm的 光，折射率大于或等于2. 30且小于或等于2. 60。吸收系數(shù)用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定透過(guò)率，以及通過(guò)AlN單晶襯底的厚度 計(jì)算吸收系數(shù)。結(jié)果顯示低值。對(duì)波長(zhǎng)為250nm的光、對(duì)波長(zhǎng)為300nm的光和對(duì)波長(zhǎng)小于 350nm的光，吸收系數(shù)分別為HZcnr1JTcnr1和llcnT1。位錯(cuò)密度通過(guò)EPD法進(jìn)行計(jì)算。具體而言，將AlN單晶襯底在熔體中漬浸30分 鐘以將其蝕刻掉。該熔體為在鉬坩堝中在250°C下熔融的比率為1 1的KOH NaOH(氫 氧化鈉)。然后，對(duì)所述AlN單晶襯底進(jìn)行漂洗，且通過(guò)顯微鏡計(jì)算在表面處產(chǎn)生的每單位 面積的蝕坑數(shù)。結(jié)果顯示位錯(cuò)密度為IXlO6CnT2的低值。氧濃度使用從AlN單晶襯底的中心切掉的5mm正方樣品(5mmX 5mm的正方區(qū) 域)，通過(guò)SIMS測(cè)定氧濃度。結(jié)果顯示為1. 4X IO1W3的低氧濃度。表面粗糙度RMS 根據(jù)JIS B 0601進(jìn)行測(cè)定。具體而言，在與鋁面?zhèn)认鄬?duì)應(yīng)的AlN 單晶襯底的面處，使用AFM(原子力顯微鏡)在50 μ m見(jiàn)方(50 μ mX 50 μ m的正方區(qū)域)的 視野內(nèi)測(cè)定表面粗糙度RMS。結(jié)果顯示為40nm的低表面粗糙度RMS。FffHM 在最上部的AlN單晶襯底的平坦部分處對(duì)(000 面測(cè)定X-射線衍射峰。 所述X射線衍射峰的半寬度的結(jié)果顯示15弧秒(arcsec)的低值，從而表示為高品質(zhì)的晶 體。通過(guò)使用本實(shí)施例的高純度原料，證實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于 或等于300nm的光顯示大于或等于2. 4的折射率，以及對(duì)波長(zhǎng)大于300nm且小于350nm的 光顯示大于或等于2. 3的折射率的AlxGa(1_x)N單晶。[實(shí)施例2]對(duì)使用Alxfea_x)N單晶制造的光學(xué)透鏡的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，所述AlxGa(1_x)N單晶具有 在300K下測(cè)得的，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm且小于或等于300nm的光為大于或等于2. 4的 折射率，以及對(duì)波長(zhǎng)大于300nm且小于350nm的光為大于或等于2. 3的折射率。(本發(fā)明例1)使用在實(shí)施例1中獲得的AlxGaa_x)N單晶，基于公知方法制造光學(xué)透鏡。形狀為如 圖6中所示的半球狀透鏡，包括與單晶的c面對(duì)應(yīng)的平面20a。依照于此，制造了本發(fā)明例 1的光學(xué)透鏡。(本發(fā)明例2)在本發(fā)明例2中，準(zhǔn)備AlN襯底作為底部襯底11。作為原料17準(zhǔn)備的AlN燒結(jié)原 料的雜質(zhì)濃度為0. OOSwt%。所有其它條件與實(shí)施例1用于晶體生長(zhǎng)的條件相同。因此，獲 得了 5. Omm厚的AlN單晶。在本發(fā)明例2的AlN單晶上進(jìn)行晶體評(píng)價(jià)，與實(shí)施例1同樣。將結(jié)果示于表1中。 在本發(fā)明例2中，證實(shí)與本發(fā)明例1相比，位錯(cuò)密度和氧濃度降低。關(guān)于光學(xué)性能，與本發(fā) 明例1相比，折射率的平均值更高且吸收系數(shù)更低。可能的原因是基于與底部襯底組成相 同的組成的AlN襯底的使用和原料雜質(zhì)濃度的進(jìn)一步提高。然后，使用在本發(fā)明例2中獲得的AlxGaa_x)N單晶，基于公知方法制造光學(xué)透鏡。 形狀為如圖7中所示的超半球狀透鏡，包括與單晶的c面對(duì)應(yīng)的平面30a。(本發(fā)明例3)
在本發(fā)明例3中，使用在實(shí)施例1中獲得的AlxGaa_x)N單晶，基于公知方法制造光 學(xué)透鏡。形狀為如圖6中所示的半球狀透鏡，包括與單晶的m面對(duì)應(yīng)的平面20a。(比較例1)在比較例1中，為底部襯底11準(zhǔn)備AlN襯底。作為原料17準(zhǔn)備的AlN燒結(jié)原料 的雜質(zhì)濃度為0.05wt%。其余要素與用于晶體生長(zhǎng)的實(shí)施例1的要素類似。因此，獲得了 5. Omm厚的AlN單晶。對(duì)于比較例1的AlN單晶，進(jìn)行與實(shí)施例1同樣的晶體評(píng)價(jià)。將結(jié)果示于表1中。 在比較例1中，位錯(cuò)密度低于本發(fā)明例1的位錯(cuò)密度且高于本發(fā)明例2的位錯(cuò)密度。也證 實(shí)了與本發(fā)明例1和本發(fā)明例2的氧濃度相比氧濃度增加。可能的原因是基于與底部襯底 組成相同的組成的AlN襯底的使用和高雜質(zhì)濃度的原料。關(guān)于光學(xué)特征，與本發(fā)明例1-3 的光學(xué)特征相比，折射率變得更低，且吸收系數(shù)增加。其可能原因是原料的高雜質(zhì)濃度。然后，使用在比較例1中獲得的AlxGaa_x)N單晶，基于公知方法制造光學(xué)透鏡。形 狀為如圖6中所示的半球狀透鏡，包括與單晶的c面對(duì)應(yīng)的平面20a。(測(cè)定方法)關(guān)于本發(fā)明例1 3和比較例1的光學(xué)透鏡的透光度，確定了入射光對(duì)于光學(xué)透 鏡的透過(guò)比率。結(jié)果示于下表1中。表1表示按照透光度更高的順序的A、B和C組。在透 光度最高的組中的透鏡為A，在透光度最低的組中的透鏡為C，以及透光度在A和C之間的 組中的透鏡為B。A和B組中的透鏡具有優(yōu)越的透光度。
(測(cè)定結(jié)果)從表1中可以理解，本發(fā)明例1的光學(xué)透鏡在透光度上優(yōu)越且不具有軸偏向。本
權(quán)利要求
1.一種制造AlxGaa_x)N單晶(10)的方法，所述AlxGaa_x)N(0 < χ彡1)單晶(10，12)是 通過(guò)升華法生長(zhǎng)的，所述方法包括下述步驟準(zhǔn)備底部襯底(11)，準(zhǔn)備高純度原料(17)，以及通過(guò)升華所述原料(17)而在所述底部襯底(11)上生長(zhǎng)所述AlxGa(1_x)N單晶(10，12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造AlxGa(1_x)N單晶(10)的方法，其中所述生長(zhǎng)步驟包括生長(zhǎng)厚 度大于或等于300μπι的所述AlxGa(1_x)N單晶(10，12)的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制造AlxGa(1_x)N單晶(10)的方法，其中所述準(zhǔn)備步驟包括準(zhǔn)備具 有與所述AlxGaa_x)N單晶(10，12)的組成相同的組成的所述底部襯底(11)的步驟。
4.一種 AlxGaa_x)N(0 < χ ^ 1)單晶(10)，所述 AlxGa(1_x)N 單晶(10)具有在 300K 下測(cè) 得的，對(duì)波長(zhǎng)大于或等于250nm并且小于或等于300nm的光為大于或等于2. 4的折射率，以 及對(duì)波長(zhǎng)大于300nm并且小于350nm的光為大于或等于2. 3的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的AlxGa(1_x)N單晶(10)，其中對(duì)波長(zhǎng)大于或等于300nm并且小于 350nm的光，在300K下測(cè)得的吸收系數(shù)小于或等于27CHT1。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的AlxGaa_x)N單晶(10)，其中位錯(cuò)密度小于或等于1X 106cm_2。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的AlxGaa_x)N單晶，其中氧濃度小于或等于lX1019cm_3。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的AlxGaa_x)N單晶(10)，所述AlxGaa_x)N單晶(10)具有表面粗糙度 RMS小于或等于IOOnm的主面。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的AlxGa(1_x)N單晶(10)，其中寬度或直徑大于或等于5mm，且厚度大 于或等于300 μ m.
10.一種使用權(quán)利要求4所述的AlxGa(1_x)N單晶(10)制作的光學(xué)透鏡00，30)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)透鏡00，30)，所述光學(xué)透鏡(20，30)包含平面和從所述 平面延伸的半球狀球形部，其中所述平面是(0001)面或平行于所述(0001)面的面。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)透鏡00，30)，所述光學(xué)透鏡(20，30)包含平面和從所述 平面延伸的超半球狀球形部，其中所述平面是(0001)面或平行于所述(0001)面的面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過(guò)以升華法生長(zhǎng)AlxGa(1-x)N單晶(10)來(lái)制造AlxGa(1-x)N單晶(10)(其中0＜x≤1)的方法，所述方法包括準(zhǔn)備襯底的步驟、準(zhǔn)備高純度原料的步驟和升華原料以在所述襯底上生長(zhǎng)所述AlxGa(1-x)N單晶(10)的步驟。所述AlxGa(1-x)N單晶(10)對(duì)波長(zhǎng)為250至300nm的光顯示2.4以上的折射率，并且對(duì)波長(zhǎng)超過(guò)300nm并且短于350nm的光顯示2.3以上的折射率，每個(gè)折射率都是在300K下測(cè)定的。
文檔編號(hào)C30B29/38GK102084040SQ20098012596
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者中幡英章, 佐藤一成, 宮永倫正, 山本喜之, 櫻田隆, 水原奈保, 荒川聰, 谷崎圭祐 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社