CN101842869A - 深紫外半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

目前被作为紫外光源使用的水银灯无法小型化，而且发光二极管的对应波长也只在365nm以下很难实现实用化的情况下，本发明提供了一种大面积高亮度的深紫外发光装置。该深紫外发光装置，具有阳极基板，其以氮化铝作为主要材料，添加了钆(Gd)等稀土金属离子的紫外荧光体薄膜；阴极基板，具有场致电子发射材料薄膜；将上述阳极基板和阴极基板相向设置；还具有垫片，可以让基板之间的空隙保持在真空状态；以及包括在阳极基板和阴极基板之间的外加电场电压回路构成。将阳极基板和阴极基板之间的空隙作为真空通道区域，在基板之间外加电场，将上述场致电子发射薄膜材料发射出的电子束注入上述紫外荧光体薄膜，使之发光的深紫外发光装置。

Description

深紫外半导体发光装置
技术领域
本发明所述的深紫外半导体发光装置，主要是涉及一种深紫外场发射装置。
背景技术
紫外光光源(UV-A，B，C)除了作为曝光光源被广泛利用之外，在需要较强的杀菌作用或需要利用光进行化学反应的场所或医疗现场也发挥着重要的作用。此外，今后在分解环境污染物质或水质管理等领域可以创造出更多的成效有着很高的期待。
目前，紫外光光源主要应用在水银灯(发光紫外波长为254nm)。关于水银灯，电子源为灯丝型，其电子激发所产生的光源需要类似于荧光灯一样的大型真空管状装置。因此，就目前的紫外光源，存在着由于真空管爆裂·寿命短的原因所产生的操作耗损等风险，很难实现小型装置芯片化等问题。
同时，针对RoHS指令的对策也很重要。RoHS指令，其英文全称为Restriction of use ofcertain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment，即《欧盟关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》该指令于2006年7月在欧盟全地区正式实施。所有在欧盟市场上出售的电子电气设备必须禁止使用铅、水银、镉、六价铬等重金属，以及聚溴二苯醚(PBDE)和聚溴联苯(PBB)等阴燃剂。其中，水银被限制在1,000ppm以下，可以替代水银灯的无水银光源的开发成了当务之急。
在这样的背景之下，用来替代水银灯的无水银光源的氮化物半导体的发光二极管的研究正在积极的进行。
但是，比氮化镓的带隙对应波长365nm更短的波长，是很难实现高亮度的发光效果。这种发光二极管，需要把比发光有源层材料更宽的带隙材料进行三明治结构的层压处理。为了可以在深紫外光域中获得发光，即使是将拥有最宽带隙的氮化镓进行层压，由于载波隔离不足，反而成为造成发光效率更加低下的主要原因。例如，在非专利文献1中，采用了氮化镓结晶作为半导体的发光二极管，波长为210nm和短波长产生了紫外光(非专利文献1)，但是光输出功率或外部量子效率小，还是很难实现实用化。
另外，已经知道有一种在紫外波长域里发光的紫外发光的场致发光单元(EL单元)。(例如，参照专利文献1)。所涉及到的EL单元，是将发光膜夹持在二层电介绝缘膜之间的二重绝缘构造，因此发光比较稳定。具体讲，就是在类似于玻璃等透明基板上，由ITO(铟锡氧化物、Indium Tin Oxide)等形成的透明导电膜，以及由SiO2等制成的下部绝缘膜，在母体材料中添加了发光中心元素的发光膜，与下部绝缘体相同制成的上部绝缘膜，由金属制成的背面导电膜，依次层叠而成。在EL单元里，以前就有过不只是在可视光波长光域有发光现象，在紫外波长光域也有发光现象这一说法。将紫外波长光域中所发出的光作为荧光体的激发能，在可视光域中也可以进行波长的变换。(例如、参照专利文献2。)
如上所述，对EL单元进行的各种的尝试，都未能获得具有实用性的效果产生。将EL单元在紫外波长光域里发光的现象应用到实际中，作为主要装置来使用的话还是比较困难。
【专利文献1】特开2000-173775号公报
【专利文献2】特开平11-195488号公报
【非专利文献1】氮化铝实现了波长为210nm的紫外LED 「绝缘体」(日经电子(2006年6月19日号)P.30，31)、Nature 441，325(2006)。
本发明所要解决的技术问题如上所述，目前作为紫外光源所使用的水银灯无法小型化，而且发光二极管的对应波长也只在365nm以下无法达到实用水平.还有，利用EL单元来促进紫外发光装置的实际应用也很困难。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种可以大面积高亮度的深紫外发光装置，实现实用化的目标。
为了实现上述目的，本发明所述的深紫外半导体发光装置，具有阳极基板，其以氮化铝作为主要材料，添加了钆(Gd)等稀土金属离子的紫外荧光体薄膜；阴极基板，具有场致电子发射材料薄膜；将上述阳极基板和阴极基板相向设置；还具有垫片，可以让基板之间的空隙保持在真空状态；以及包括在阳极基板和阴极基板之间的外加电场电压回路构成.将阳极基板和阴极基板之间的空隙作为真空通道区域，在基板之间外加电场，将上述场致电子发射薄膜材料发射出的电子束注入上述紫外荧光体薄膜，使之发光为特征的一种发光装置。
在这里，上述深紫外半导体发光装置里的紫外荧光体薄膜中所添加的稀土金属离子，被举例的有钆(Gd)，铕(Eu)，镝(Dy)，镧(La)，铈(Ce)，钐(Sm)，钇(Y)，钕(Nd)，铽(Tb)，镨(Sm)，铒(Er)，铥(Tm)，镱(Yb)，钪(Sc)，钷(Pm)，钬(Ho)和镥(Lu)等稀土金属离子。
上述的稀土金属离子，虽说并不是专门限定的，但是最好是选用适合紫外光领域的发光中心。希土类元素的离子，表明了4f的禁戒跃迁而发光，或是由于4f-5d的容许跃迁而发光.可以作为4f的禁戒跃迁所产生的光源中心单元有Gd3+(深紫外色)，Tm3+(青色)，Tb3+(绿色)，Sm3+(红色)等.而可作为容许跃迁所产生的光源中心单元的有Ce3+，Eu2+等。
另外，关于上述深紫外半导体发光装置里的紫外荧光体薄膜，以Gd或Gd化合物作为发光中心的首选。
采用钆(Gd)作为发光中心，可制成灭菌·杀菌能力强的近紫外发光装置.也就是说，Gd3+离子的发光峰值波长在315nm附近，可以光分解具有很强毒性的二氧芑类的物质，利用DNA分解进行杀菌，光催化应用等，是一种极为有前景的元素。
另外，作为上述深紫外半导体发光装置中的紫外荧光体薄膜的主要材料的氮化铝，最好是掺杂硅(Si)来降低紫外荧光体薄膜的电阻。
添加硅(Si)来实现低电阻化，可以抑制由于激发产生的电子束辐照在紫外荧光体薄膜上所产生的带电引起的反向偏压.从而提高发光亮度.所提到的低电阻化，即把电流的阻力值控制在数Ωcm内。
还有，上述深紫外半导体发光装置中的紫外荧光体薄膜，在通入氮气的情况下，采用铝(Al)和钆(Gd)发生溅射所制成的掺钆氮化铝薄膜为宜。
采用有着很多实际成果的溅射工艺，在基板温度为200℃的情况下实现低温成长.把低价格，高品质的紫外荧光体薄膜大面积的生成变成现实。
在此，上述的深紫外半导体发光装置中的场致电子发射材料薄膜，一般的场发射显示器(FED)中所使用的场致电子发射材料薄膜都可以使用。例如，氮化铝薄膜，或添加了硅离子的氮化铝薄膜都可以使用。另外，使用了含有碳纳米管(CNT)的，或含有CNT成份的纳米纤维(CNF)的场致电子发射材料薄膜也是可以的。本发明中涉及的深紫外半导体发光装置中的场致电子发射材料薄膜，无需去专门限定材料，目前所知的场致电子发射材料薄膜都是可以的。
本发明实现了以场电子发射的方法获得大面积高亮度深紫外光源的半导体发光装置。
附图说明
图1为本发明涉及的深紫外半导体发光装置的结构示意图。
图2为反应性射频磁控溅射装置的构造示意图。
图3为在石英玻璃基板上形成的氮化铝(AlN)薄膜的X射线衍射谱。
图4为用于测定深紫外半导体发光装置的结构图。
图5-1为深紫外线半导体发光装置的发射光谱图(Gd芯片1片)。
图5-2为深紫外线半导体发光装置的发射光谱图(Gd芯片3片)。
图6为掺杂了钆的氮化铝薄膜的照片。
符号说明
1Si基板
2掺杂了Si的氮化铝(AlN)薄膜
3石英玻璃基板
4紫外荧光体薄膜
5垫片
6电压电路
7将添加了钆的氮化铝薄膜经过层压的石英玻璃基板
10阴极
11阳极
20液氮阱
30反应性射频磁控溅射装置
31加热器
32高频电源
33反应气体(氮气和氩气)
34石英玻璃基板
35AI/Gd电极
36Al电极
37Gd芯片
38配箱
39真空泵
40磁铁
41水冷管(靠近磁铁)
42水冷管(反应室内)
具体实施方式
以下，作为本发明实施形态其中的一个例子，参照图片进行详细的说明。
图1是本发明所涉及的深紫外半导体发光装置的结构示意图。本发明所涉及的深紫外半年导体发光装置，至少是由Si基板1，和在基板上低温成长的掺杂了硅的氮化铝(AIN)薄膜2，和石英玻璃3，以及添加了以氮化铝作主要材料的钆(Gd)的紫外荧光体薄膜4，垫片5，电压电路6构成。
在此，在Si基板上低温成长的掺硅氮化铝(AIN)薄膜2产生发射。而且，Si基板1和含硅氮化铝(AIN)薄膜2生成阴极10，石英玻璃基板3和紫外荧光体薄膜4生成阳极11，将垫片5相向夹住。阴极10和阳极11之间的空隙保持高真空状态。
然后，在阴极10和阳极11之间插入栅极，可以抑制发射电流。考虑到实际应用，在阴极10和阳极11之间插入栅极，采用三极法。
(紫外荧光体薄膜的制作方法)
接下来，就本发明所涉及的深紫外半导体发光装置中的紫外荧光体薄膜4的制作方法进行说明。图2表示的是用来制作紫外荧光体薄膜4时使用的反应性射频磁控溅射装置的构造示意图。
以下，参照图2的溅射装置，就紫外荧光体薄膜的制作方法进行说明。
用于制作紫外荧光体薄膜的反应性射频磁控溅射装置30，在装置内部的真空室上部设有加热器32，真空室下部设有高频电源32(无图示)，真空室右部设有用来导入反应气体33的流入口，真空室左部的流出口设有液氮阱20，有效的去除溅镀装置内的真空室内部的残留气体中的水分，由真空泵39(无图示)使反应气体流出的一种装置。
首先，在深紫外光域里采用透明的石英玻璃34载放在反应性射频磁控溅射装置30的上部作为基板，与石英玻璃基板34相向的下部设有AI/Gd电极35。AI/Gd电极35，如图2的右下部所示，在AI电极36的上方放置所定数目1.5mm的方形Gd芯片37。由可以控制AI和Gd组成的合金电极也是可以的。然后，调节加热器31，例如，将石英玻璃基板34的温度保持在300℃，在反应室压力为40mTorr的状态下，导入反应气体33(氮气和氩气)，溅射电压1.8kV，射频功率为150W时进行溅射。经过溅射，在石英玻璃基板34上方生成掺钆氮化铝薄膜。图3所示的是，X射线衍射谱显示着(0001)晶体取向的特性。如上所述的将石英玻璃基板34的温度是保持在300℃进行溅射，实现了在300℃的低温下也可以制成高品质的结晶膜。由于平均粒径在200nm左右的氮化铝晶体的都为透明结晶，为了在提取Gd3+离子发光时不受损失，将AlN薄膜结晶化。可是，包括室温在内，在比室温更低的基板上制成的薄膜显示的是无定型结晶的特性，Gd3+离子的发光峰值波长在315nm附近会出现透明度，这个也是可以被利用的。
Gd的掺杂量是通过改变铝电极上的钆芯片37的个数来进行调整的。在AI/Gd电极35的一部分阴极和高频电源32(无图示)之间设有匹配箱，消除电容器和线圈构成的匹配电路的匹配阻抗，将高频电力有效的注入装置内。而且，AI电极36和Si基板34之间设置一个快门，可通过关闭快门来控制掺钆氮化铝薄膜的膜压。
反应气体33，被设计成利用真空泵39(无图示)从进入方向的对角的方向出去，供应给发生溅射的反应室的中央部。另外，磁铁40附近设有水冷管41，为了防止因为溅射使电极被加热而溶解。反应室主体也设有水冷管42，为了防止因为等离子在反应室的温度上升而使等离子的状态发生变化。
(深紫外光源装置的发射光谱测定)
深紫外发光装置的发光光谱测定，使用掺硅氮化铝作为场发射装置，设置电子萃取电极，利用栅极电极萃取到的电子，在石英玻璃基板上生成的掺钆氮化铝(AIN:Gd)薄膜上进行照射。图4所示的是用于发光光谱测定的深紫外发光装置的构造图。
在此，掺钆氮化铝(AIN:Gd)薄膜，是采用了射频磁控溅射的方法，在石英玻璃基板上成长到300nm的。而且，场发射装置和栅极之间的距离为200μm，栅极和掺钆氮化铝(AIN:Gd)薄膜的间隔为500μm。而且，场致发射所获得的电流值5×10-5安培。
在图5-1和图5-2所示的是本测定结果的发光光谱。图5-1示意的是，将一片钆金属箔放置在铝电极上，经过采用射频磁控溅射的方法而制成的掺钆氮化铝(AIN:Gd)薄膜的发光光谱。图5-2所示的是将三片的钆金属放置在箔铝电极上，经过采用射频磁控溅射的方法而制成的掺钆氮化铝(AIN:Gd)薄膜的发光光谱。如图5-1と图5-2所示的，可以看到在310nm附近由于Gd3+离子内核迁移引起的陡峭的发光峰值，表明有很强的单色性。
另外，将图5-1和图5-2进行比较，随着添加的钆的量增加，掺钆氮化铝薄膜的发光的峰值波长也随着加大。
图6所示的是本发明的紫外荧光体薄膜掺钆氮化铝薄膜的照片。在写着紫色文字的纸张上面，放置着掺钆氮化铝薄膜，掺钆氮化铝薄膜呈透明，可以看到光的干涉色，基板表面被平坦均匀的制成膜。另外，由于晶界在可视光领域内没有出现不透明化，可以很清楚的看到文字。
工业应用性
本发明所涉及的深紫外半导体发光装置，在无水银化的紧急时代，应用到现代工业用装置或分析仪器也是很有可能的。还有，有望可以应用在目前存在诅多问题的环境·医疗现场中，作为杀菌·灭菌设备，利用色素进行细胞拣选，表面分析，荧光分析或分解/去处污染环境物质，水质管理系统等，可以广泛的应用在各种领域。

Claims (5)

1.一种深紫外半导体发光装置，其特征在于：具有阳极基板，其以氮化铝作为主要材料，添加了钆(Gd)等稀土金属离子的紫外荧光体薄膜；阴极基板，具有场致电子发射材料薄膜；将上述阳极基板和阴极基板相向设置；还具有垫片，可以让基板之间的空隙保持在真空状态；以及包括在阳极基板和阴极基板之间的外加电场电压回路构成。将阳极基板和阴极基板之间的空隙作为真空通道区域，在基板之间外加电场，将上述场致电子发射薄膜材料发射出的电子束注入上述紫外荧光体薄膜，使之发光的深紫外发光装置。
2.如权利要求1中所述的深紫外半导体发光装置，其特征在于：紫外半导体发光装置中的紫外荧光体薄膜中添加的稀土金属离子，是指由钆(Gd)，铕(Eu)，镝(Dy)，镧(La)，铈(Ce)，钐(Sm)，钇(Y)，钕(Nd)，铽(Tb)，镨(Sm)，铒(Er)，铥(Tm)，镱(Yb)，钪(Sc)，钷(Pm)，钬(Ho)和镥(Lu)等稀土金属离子构成的群中筛选而得到一种或至少一种以上的金属离子。
3.如权利要求1中所述的深紫外半导体发光装置，其特征在于：深紫外半导体发光装置里的紫外荧光体薄膜，选用钆(Gd)或钆化合物作为发光中心。
4.如权利要求1中所述的深紫外半导体发光装置，其特征在于：深紫外半导体发光装置里的紫外荧光体薄膜，在氮化铝中掺杂了硅，降低了上述紫外荧光体薄膜的电阻值。
5.如权利要求1中所述的深紫外半导体发光装置，其特征在于：深紫外半导体发光装置里的紫外荧光体薄膜、在充满氮气的状态下，将铝(Al)和钆(Gd)进行溅射制成掺钆氮化铝薄膜。
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