CN103053007B - 紫外线照射装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够以小型、高效率发射紫外线的紫外线照射装置。该紫外线照射装置具备在以负压状态密封内部的、具有紫外线透过窗的容器内，具备半导体多层膜元件以及向该半导体多层膜照射电子束的电子束辐射源。另外，半导体多层膜元件具备由In_xAl_yGa_l-x-yN（0≤x＜1，0＜y≤1，x+y≤1）组成的单一量子阱结构或者多量子阱结构的活性层，通过来自上述电子束辐射源的电子束照射在上述半导体多层膜元件上的活性层上，紫外线从该半导体多层膜元件经由上述紫外线透过窗向外部辐射。另外，在假设电子束的加速电压为V（kV），上述活性层的厚度为t（nm）时，满足下式（1）。式（1）：4.18×V^1.50≤t≤10.6×V^1.54。

Description

紫外线照射装置

技术领域

本发明涉及通过向半导体多层膜元件照射电子束而发射紫外线的紫外线照射装置。

背景技术

最近，小型的紫外线光源的用途日益扩大，例如适用到UV硬化型喷墨打印机等的新的技术也在开发。

作为小型的紫外线光源，例如已知有使用氮化镓（GaN）类化合物半导体的紫外线光电二极管（LED）。在这种紫外线LED中，通过对包含构成活性层的铝（Al）的GaN类化合物半导体中的Al的组成比进行改变，能够调整在例如小于等于380nm的紫外线区域上的发光波长。

可是，这种紫外线LED在由半导体结晶中的缺陷引起的非辐射跃迁、和例如因为Mg等的p型杂质的活性化能量高而不得不需要低载流子浓度的p型半导体层的构成上，因为由于在活性层中产生载流子的溢出和电阻损失，致使外部量子效率降低，所以作为紫外线光源在实用化上存在问题。

另外，作为利用半导体元件的紫外线光源，已知有通过从电子束辐射源向半导体多层膜元件辐射电子束，因而使该半导体多层膜元件发光的光源（参照专利文献1）。

如果采用这种紫外线光源，因为在LED中不需要形成作为必须要素的p型半导体层，所以不会受到其品质的影响，能够得到可以辐射稳定的紫外线的紫外线光源。

但是，在上述的紫外线光源中存在以下的问题：为了让半导体多层膜元件以高效率发光，例如需要在半导体多层膜元件上照射由例如数十kV及以上的加速电压加速的电子束，由此，容易从半导体多层膜元件中发生X射线。因此，作为紫外线光源，因为需要遮挡X射线的结构，所以难以得到小型的紫外线光源。

专利文献1：专利第3667188号公报

发明内容

本发明就是基于以上那样的情况而提出的，其目的在于提供一种能够以小型并且高效率发射紫外线的紫外线照射装置。

本发明的紫外线照射装置的特征在于：在以负压状态密封内部的、具有紫外线透过窗的容器内，具备半导体多层膜元件以及向该半导体多层膜元件照射电子束的电子束辐射源。

在本发明的紫外线照射装置中优选的是，上述半导体多层膜元件具备由In_xAl_yGa_l-x-yN组成的单一量子阱结构或者多量子阱结构的活性层，其中，0≤x＜1，0＜y≤1，x+y≤1，通过来自上述电子束辐射源的电子束照射在上述半导体多层膜元件中的活性层，紫外线从该半导体多层膜元件经由上述紫外线透过窗向外部辐射。

另外，优选的是在设上述电子束的加速电压为V（kV），上述活性层的厚度为t（nm）时，满足下式（1）：

4.18×V^1.50≤t≤10.6×V^1.54……式（1）

另外，优选的是上述电子束的加速电压小于等于20kV。

如果采用本发明的紫外线照射装置，因为半导体多层膜元件中的活性层的厚度在和电子束的加速电压的关系中处于特定的范围，所以能够以高效率辐射紫外线，而且，因为即使电子束的加速电压低也能够得到高的效率，所以能够谋求装置的小型化。

附图说明

图1是表示本发明的紫外线照射装置一例中的构成概略的说明用剖面图。

图2是表示图1所示的紫外线照射装置中的半导体多层膜元件的结构的说明用剖面图。

图3是表示在半导体多层膜元件中的活性层的结构的说明用剖面图。

图4是表示涉及紫外线照射装置C的电子束的加速电压和发光效率的关系的发光效率曲线图。

图5是表示涉及紫外线照射装置A~紫外线照射装置E的电子束的加速电压和发光效率的关系的发光效率曲线图。

图6是表示涉及图5所示的曲线a~曲线e中的点P₁以及P₂的电子束的加速电压、活性层的厚度的关系的曲线图。

图7是表示涉及紫外线照射装置C、紫外线照射装置F以及紫外线照射装置G的电子束的加速电压和发光效率的关系的发光效率曲线图。

图8是表示在本发明的紫外线照射装置的其它例子中的结构概略的说明图，（A）是剖面图，（B）是从电子束辐射源一侧看的平面图。

符号说明

10：紫外线照射装置；11：真空容器；12：容器基体；13：紫外线透过窗；15：电子束辐射源；20：半导体多层膜元件；21：衬底；22：缓冲层；25：活性层；26：量子阱；27：阻挡层。

具体实施方式

以下详细说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的紫外线照射装置的一个例中的结构概略的说明用剖面图，图2是表示图1所示的紫外线照射装置中的半导体多层膜元件的结构的说明用剖面图。

该紫外线照射装置10具有以负压状态密封内部的外形是正方体形状的容器（以下，称为“真空容器”）11，该真空容器11由在一面（图1中下面）上具有开口的容器基体12、配置在该容器基体12的开口上与该容器基体12密封的、紫外线从内部向外部透过的紫外线透过窗13构成。

在真空容器11内，在紫外线透过窗13的内面上配设半导体多层膜元件20的同时，在与半导体多层膜元件20相对的位置上配设向该半导体多层膜元件20照射电子束的电子束辐射源15，电子束辐射源15以及半导体多层膜元件20经由从真空容器11的内部引出到外部的导电线（省略图示），与设置在真空容器11的外部上的、用于施加加速电压的电子加速装置（省略图示）电气连接。

作为构成真空容器11中的容器基体12的材料，可以使用石英玻璃等的玻璃等。

另外，作为构成在真空容器11中的紫外线透过窗13的材料可以使用石英玻璃等。

真空容器11的内部压力例如是10^-4~10^-6Pa。

作为电子束辐射源15可以使用例如将电子引出用的电缆电极接近圆锥形的钼芯片周围而配置的结构的圆锥（Spindt）型发射极等。

半导体多层膜元件20由例如蓝宝石组成的衬底21、在该衬底21的一面上形成的例如由AIN组成的缓冲层22、形成在该缓冲层22的一面上的、具有单一量子阱结构或者多量子阱结构的活性层25构成。

该例子中的半导体多层膜元件20在活性层25与电子束辐射源15相对的状态下，将衬底21在紫外线透过窗13内面上例如用UV硬化性树脂粘接固定配置，因而，构成为来自电子束辐射源15的电子束从活性层25一侧照射。

衬底21的厚度例如是10~1000μm，缓冲层22的厚度例如是100~1000nm。

另外，电子束辐射源15和半导体多层膜元件20中的活性层25的间隔距离例如是5~120mm。

图3是表示在活性层的一个例中的构成的说明用剖面图。该活性层25是分别用In_xAl_yGa_l-x-yN（0≤x＜1，0＜y≤1，x+y≤1）组成的单一量子阱结构或者多量子阱结构，单一或者多量子阱层26和单一或者多阻挡层27在缓冲层22上以该顺序交替叠层构成。

量子阱层26的各自的厚度例如是0.5~50nm。另外，选择阻挡层27的组成，使得其禁止带宽比量子阱层26自身还大，作为一例，只要使用AIN即可，各自的厚度设定得比量子阱层26的阱宽度大，具体地说例如是1~100nm。

构成活性层25的量子阱层26的周期考虑量子阱层26、阻挡层27以及活性层25全体的厚度，和所使用的电子束的加速电压等适宜地设定，但一般是1~100。

上述的半导体多层膜元件20例如可以用MOCVD法（有机金属气相成长法）形成。具体地说，使用由氢气以及氮气组成的运载气体、由三甲基铝以及氨气组成的原料气体，通过在由蓝宝石组成的衬底21的（0001）面上气相成长，在形成由具有规定厚度的AIN组成的缓冲层22后，使用由氢气以及氮气组成的运载气体，和由三甲基铝、三甲基镓、三甲基铟以及氨气组成的原料气体，通过在缓冲层22上进行气相成长，形成由具有规定厚度的In_xAl_yGa_l-x-yN（0≤x＜1，0＜y≤1，x+y≤1）组成的单一量子阱结构或者多量子阱结构的活性层25，因此，能够形成半导体多层膜元件20。

在上述的缓冲层22、量子阱层26以及阻挡层27的各形成步骤中，处理温度、处理压力以及各层的成长速度等的条件可以根据要形成的缓冲层22、量子阱层26以及阻挡层27的组成和厚度等适宜地设定。

另外，半导体多层膜的形成方法并不限于MOCVD法，也可以使用例如MBE法（分子束外延法）等。

在这种紫外线照射装置10中，从电子束照射源15辐射出的电子一边靠施加在电子束辐射源15和半导体多层膜元件20之间的加速电压加速，一边作为电子束照射在半导体多层膜元件20中的活性层25上，由此，紫外线从半导体多层膜元件20经由紫外线透过窗13向外部辐射。

而后，在本发明的紫外线照射装置10中，在将从电子束辐射源15辐射的电子束的加速电压设置为V（kV），将活性层25的厚度设置为t（nm）时，满足下式（1）。

式（1）：4.18×V^1.50≤t≤10.6×V^1.54

在电子束的加速电压和活性层25的厚度的关系中，当活性层25的厚度过小（加速电压过大）的情况下，因为电子束的一部分通过了活性层25，所以在活性层25上未对电子空穴对的生成发挥作用的电子增加，其结果，以高效率照射紫外线变得困难。另一方面，当活性层25的厚度过大（加速电压过小）的情况下，在活性层25上照射电子束的表面一侧的层部分上，因为电子束的能量丢失，所以在活性层25中的背面一侧的层部分上不生成电子空穴对，其结果，以高效率照射紫外线变得困难。

另外，电子束的加速电压优选小于等于20kV，进一步优选5~13kV。当电子束的加速电压超过20kV的情况下，因为难以从半导体多层膜元件20中发生X射线，所以需要遮挡X射线，因而，谋求装置的小型化变得困难，另外，因电子束的能量而发生半导体多层膜元件20的热损伤，所以是不理想的。

上述式（1）是通过实验导出的公式。以下说明为了导出上述公式（1）进行的实验例。

〈实施例1〉

[缓冲层的形成]

在CVD装置的处理炉内配置由蓝宝石组成的衬底（21），将炉内压力设定为10kPa，将炉内温度设定为1080℃，在处理炉内作为运载气体一边让氮气以及氢气流动，作为原料气体一边向处理炉内提供三甲基铝以及氨气，通过在衬底（21）的（0001）面上进行气相成长，形成由厚度600nm的AIN单晶组成的缓冲层（22）。

[活性层的形成]

接着，将炉内压力设定为10kPa，将炉内温度设定为1080℃，一边让氮气以及氢气作为运载气体流动，一边将三甲基铝、三甲基镓以及氨气作为原料气体提供给处理炉内，形成由厚度1nm的AI_0.69Ga_0.21N组成的量子阱层（26），其后，向处理炉内提供三甲基铝以及氨气作为原料气体，形成由厚度15nm的AIN组成的阻挡层（27）。通过合计重复8次形成这种量子阱层（26）以及阻挡层（27）的操作，形成厚度128nm（8周期的量子阱结构）的活性层（25），以下，形成半导体多层膜元件（20）。

[紫外线照射装置的制造]

将由具有钼芯片的圆锥（Spindt）型发射极组成的电子束辐射源（15）配置在由外形尺寸是40mm×25mm×25mm，在一面上具有7mm×5mm的开口，壁厚是4mm的玻璃组成的容器基体（12）的底面上。另一方面，在尺寸是7mm×5mm×4mm的板形的石英玻璃组成的紫外线透过窗（13）的一面上配置半导体多层膜元件（20），使该半导体多层膜元件（20）的衬底（21）与该紫外线透过窗（13）接触，使用UV硬化树脂粘接固定。而后，将紫外线透过窗（13）配置在容器基体（12）的开口上以使半导体多层膜元件（20）与电子束辐射源（15）相对，通过排气使得内部的压力变为1×10^-6Pa，并将紫外线透过窗（13）密封在容器基体（12）上，由此构成真空容器（11），以下制造紫外线照射装置。

在此，电子束辐射源（15）和半导体多层膜元件（20）中的活性层（25）的间隔距离是30mm。

另外，在活性层的形成步骤中，除了分别进行形成量子阱层（26）以及阻挡层（27）的操作1次、6次、10次以及15次外，和上述一样制造具备具有厚度分别是16nm（量子阱层的周期是1）、96nm（量子阱层的周期是6）、160nm（量子阱层的周期是10），以及240nm（量子阱层的周期是15）的活性层（25）的半导体多层膜元件（20）的紫外线照射装置。

以下，设活性层（25）的厚度是16nm的紫外线照射装置为“紫外线照射装置A”、活性层（25）的厚度是96nm的紫外线照射装置为“紫外线照射装置B”、活性层（25）的厚度是128nm的紫外线照射装置为“紫外线照射装置C”、活性层（25）的厚度是160nm的紫外线照射装置为“紫外线照射装置D”、活性层（25）的厚度是240nm的紫外线照射装置为“紫外线照射装置E”。

而后，让紫外线照射装置A~紫外线照射装置E动作的结果，确认了都照射具有240nm峰值波长的紫外线。

[试验]

对于紫外线照射装置A~紫外线照射装置E，用对紫外线区域的光具有灵敏度的光电二极管测定在0~20kV范围中分段改变电子束的加速电压使其动作并发射的紫外线的输出，求发光效率。在此，本发明中的发光效率用针对入射到半导体多层膜元件中的电子束功率的、用光电二极管测定的射出光功率的比来求出。

图4是表示涉及紫外线照射装置C的电子束的加速电压和发光效率的关系的发光效率曲线图。在该图4中，横轴表示电子束的加速电压（kV），纵轴表示发光效率（%）。根据该图4的结果可以理解如下情况。

在紫外线照射装置C中，在电子束的加速电压从0kV变到约5kV期间，随着电子束的加速电压上升发光效率缓慢增加，在电子束的加速电压从约5kV变到8kV为止的期间，随着电子束的加速电压上升发光效率急剧增加，即发光效率的增加率加大。而后，在电子束的加速电压是约8kV时发光效率达到峰值，在电子束的加速电压从约8kV变到约10kV为止的期间，随着电子束的加速电压的上升发光效率减少，在电子束的加速电压约大于等于10kV时，随着电子束的加速电压的上升发光效率缓慢减少，即发光效率的下降率与从约8kV到10kV相比降低。

这样，在紫外线照射装置C中的发送光效率曲线上，存在在使电子束的加速电压上升时，发光效率上升率增高的点P₁以及发光效率的降低率降低的点P₂。

图5是表示涉及紫外线照射装置A~紫外线照射装置E的电子束的加速电压和发光效率的关系的发光效率曲线图。在该图5中，横轴表示电子束的加速电压（kV），纵轴表示将发光效率的峰值设置为1的发光效率的相对值，曲线a是涉及紫外线照射装置A的发光效率曲线，曲线b是涉及紫外线照射装置B的发光效率曲线，曲线c是涉及紫外线照射装置C的发光效率曲线，曲线d是涉及紫外线照射装置D的发光效率曲线，曲线e是涉及紫外线照射装置E的发光效率曲线。

从图5的结果中可以理解为：在紫外线照射装置A～紫外线照射装置E的任何一个中，都是在表示各自的发光效率曲线的曲线a～曲线e上，存在在使电子束的加速电压上升时，发光效率上升率增高的点P₁以及发光效率降低率降低的点P₂。即，随着电子束的加速电压上升发光效率缓慢增加，在超过点P₁时，随着加速电压上升发光效率急剧增加达到峰值，在超过峰值时，随着电子束的加速电压上升发光效率减少，在超过点P₂时，随着电子束的加速电压上升发光效率缓慢减少。另外，在曲线a～曲线e的各自中，点P₁是切线的斜率变成0.15(kV^-1)的点，点P₂是切线的斜率变成-0.1(kV^-1)的点。

并且，一般认为在曲线a～曲线e中从涉及各点P₁的加速电压的值到涉及各点P₂的加速电压的值为止是在该紫外线照射装置中以高的效率辐射紫外线而得到的加速电压的范围。

图6是表示涉及图5所示的曲线a～曲线e中的点P₁以及P₂的电子束的加速电压与活性层的厚度的关系的曲线图。在图6中，横轴表示电子束的加速电压(kV)，纵轴表示活性层的厚度(nm)，曲线p1是通过涉及点P₁的标绘点的近似曲线，曲线p2是通过涉及点P₂的标绘点的近似曲线。而后，在将电子束的加速电压设置为V，将活性层的厚度设置为t，解析涉及曲线p1的函数t＝F₁(V)的结果，t＝10.6×V^1.54，另一方面，解析涉及曲线p2的函数t＝F₂(V)的结果，t＝4.18×V^1.50，因而，可以理解为：如果t(活性层的厚度)大于等于4.18×V^1.50，并且小于等于10.6×V^1.54，即满足4.18×V^1.50≤t≤10.6×V^1.54，则可以以高效率辐射紫外线。

这样通过实验导出上述式(1)。

〈实施例2〉

在实施例1的活性层的形成步骤中，通过改变炉内温度、三甲基铝的流量以及三甲基镓的流量，在形成由厚度1nm的Al_0.10Ga_0.90N组成的量子阱层(26)，形成厚度128nm(量子阱层的周期是8)的活性层（25）之外制造了和紫外线照射装置C构成相同的紫外线照射装置。以下，设该紫外线照射装置是“紫外线照射装置F”。

另外，在实施例1的活性层的形成步骤中，通过改变炉内温度、三甲基铝的流量以及三甲基镓的流量，在形成由厚度1nm的Al_0.90Ga_0.10N组成的量子阱层（26），形成厚度128nm（量子阱层的周期是8）的活性层（25）之外制造了和紫外线照射装置C构成相同的紫外线照射装置。以下，设该紫外线照射装置是“紫外线照射装置G”。

使紫外线照射装置F动作的结果，确认了照射具有370nm峰值波长的紫外线，使紫外线照射装置G动作的结果，确认了照射具有215nm峰值波长的紫外线。

对于紫外线照射装置F以及紫外线照射装置G，用对紫外线区域的光具有灵敏度的光电二极管测定在0~20kV的范围内分阶段改变电子束的加速电压使其动作并辐射的紫外线的输出，求发光效率。

图7是表示涉及紫外线照射装置C、紫外线照射装置F以及紫外线照射装置G的电子束的加速电压和发光效率的关系的发光效率曲线图。在该图7中，横轴表示电子束的加速电压（kV），纵轴表示将电子束的加速电压是8kB时的发光效率的值设置为1的发光效率的相对值，曲线c是涉及紫外线照射装置C的发光效率曲线，曲线f是涉及紫外线照射装置F的发光效率曲线，曲线g是涉及紫外线照射装置G的发光效率曲线。

从图7的结果理解为：在和紫外线照射装置C的量子阱层（26）的组成不同的紫外线照射装置F以及紫外线照射装置G的某个中，都能够得到和紫外线照射装置C一样的发光效率曲线，因而，可以理解为：不管量子阱层（26）的组成如何，通过满足上述式（1）就能够得到高的发光效率。

如上所述，如果采用本发明的紫外线照射装置，因为半导体多层膜元件20中的活性层25的厚度在和电子束的加速电压的关系中处于特定的范围，所以能够高效率地辐射紫外线，而且，因为即使电子束的加速电压低也能够得到高效率，所以能够谋求装置的小型化。

在本发明的紫外线照射装置中，可以在真空容器内配设多个半导体多层膜元件，在这种构成中，也可以是多个半导体多层膜元件是相互发光波长不同元件。

例如，在图1所示构成的紫外线照射装置中，配置成排列发光波长是250nm的半导体多层膜元件以及发光波长是310nm的半导体多层膜元件的2个半导体多层膜元件，得到通过从共用的电子束辐射源向各半导体多层膜元件的活性层照射电子束，照射具有波长250nm以及波长310nm的2个峰值波长的紫外线的紫外线照射装置。

另外，如图8（A）以及（B）所示，配置成纵横排列发光波长相互不同的例如24个半导体多层膜元件20，得到通过从共用的电子束辐射源15向全部的半导体多层膜元件20照射电子束，照射具有多个峰值波长（λ1、λ2、λ3、…）的紫外线的紫外线照射装置10。

Claims (2)

1.一种紫外线照射装置，其特征在于：

在以负压状态密封内部的、具有紫外线透过窗的容器内，具备半导体多层膜元件以及向该半导体多层膜元件照射电子束的电子束辐射源，

上述半导体多层膜元件具备由In_xAl_yGa_l-x-yN组成的单一量子阱结构或者多量子阱结构的活性层，其中，0≤x＜1，0＜y≤1，x+y≤1，

通过来自上述电子束辐射源的电子束照射在上述半导体多层膜元件中的活性层，紫外线从该半导体多层膜元件经由上述紫外线透过窗向外部辐射，

在设上述电子束的加速电压为V，上述活性层的厚度为t时，满足下式（1）：

4.18×V^1.50≤t≤10.6×V^1.54……式（1）

其中，

V的单位为kV，

t的单位为nm。

2.根据权利要求1所述的紫外线照射装置，其特征在于：上述电子束的加速电压小于等于20kV。