CN112687520A - 一种空间电子激发的反射式深紫外光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间电子激发的反射式深紫外光源，包括具有导电特性的阴极基板、隔离体、具有导电特性的阳极基板、外壳、两条电极线、石英玻璃；阴极基板设有抛物面结构，抛物面结构的底部开设有通孔，且抛物面结构上设有冷阴极结构；阳极基板上设有位置可调节的超宽禁带半导体；阴极基板与阳极基板相向设置，并通过隔离体隔开形成真空间隙结构；阴极基板、隔离体、阳极基板形成一个整体置于外壳中；外壳设有开口，开口内镶嵌石英玻璃形成石英出光口；超宽禁带半导体、通孔、石英出光口处于同一水平线上；所述外壳真空封装；阴极基板、阳极基板通过电极线连接脉冲驱动电路。本发明能有效地提升外量子效率，产生高效的深紫外发光。

Description

一种空间电子激发的反射式深紫外光源

技术领域

本发明涉及紫外光源技术领域，更具体地，涉及一种空间电子激发的反射式深紫外光源。

背景技术

深紫外光源除了广泛应用于辐照杀菌、污染物分解等医疗、环境净化领域以外，在需要光刻、光固化的集成电路制造以及军事非视距通信等领域，也有着越来越重要的应用价值。传统的汞灯、等离子体或准分子深紫外光源等都有着功耗大、体积大、含污染、成本高等诸多问题。采用超宽禁带半导体制作的固态深紫外光源，可以有效地解决上述问题。但是，目前基于半导体的固态深紫外光源的电-光转换效率很低，导致紫外发光效率极低。在照明领域，固态光源的电-光转换效率低于20％，超过80％电能最终以热的形式耗散了；而在精密制造领域，极深紫外光源的电-光转换效率更低，不足1％。

为克服上述瓶颈，现有的一种方法是采用高质量单晶宽禁带半导体来外延制备低缺陷密度深紫外发光材料。这对外延生长技术提出了高要求，因为过多缺陷将会成为非辐射复合中心，从而降低光源器件的带边发光效率。另一种方法是采用真空自由电子激发来替代UV-LED固态器件结构，可以有效规避p-n结电注入式电致发光结构对薄膜结构及P型掺杂浓度的特殊高要求，同时提高光萃取效率，进而提高出光效率。

然而，现有的空间电子激发深紫外光源均为透射式的光源器件结构，即空间电子轰击半导体一侧，从半导体另一侧产生并发射紫外光，如中国专利公开号：CN101842869A、公开日：2010.09.22，公开了一种深紫外半导体发光装置；中国专利公开号：CN108231532A，公开日：2018.06.29，公开了一种电子束激发荧光粉的深紫外光源等等。这类光源结构没有考虑大尺寸宽禁带半导体自身对光的“自吸收”，在空间电子注入材料并产生深紫外光的电-光转换过程中，内量子效率虽高，但又很快在材料内部被吸收，导致最终的外量子效率很低。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中没有考虑大尺寸宽禁带半导体自身对光的自吸收，导致外量子效率很低的问题，提供了一种空间电子激发的反射式深紫外光源，其能有效的提升外量子效率，产生高效的深紫外发光。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种空间电子激发的反射式深紫外光源，包括具有导电特性的阴极基板、隔离体、具有导电特性的阳极基板、外壳、两条电极线、石英玻璃；

其中，所述阴极基板设有抛物面结构，所述的抛物面结构的底部开设有通孔，且所述的抛物面结构上设有冷阴极结构；

所述阳极基板上设有适应不同尺寸大小超宽禁带半导体的调节机构，所述的超宽禁带半导体固定在所述的调节机构中；

所述阴极基板与阳极基板相向设置，并通过隔离体隔开形成真空间隙结构，所述的阴极基板、隔离体、阳极基板形成一个整体置于外壳中；

所述的外壳设有开口，开口内镶嵌石英玻璃形成石英出光口；所述的阳极基板上的超宽禁带半导体、抛物面结构上的通孔、石英出光口处于同一水平线上；

所述外壳经过排气、真空封装后，形成所述反射式深紫外光源；

所述的阴极基板、阳极基板通过电极线用于连接脉冲驱动电路，在电场作用下，所述的阴极基板上的冷阴极结构产生激发电子，以一定能量轰击阳极基板上的超宽禁带半导体的表面，并于同侧产生并发射出深紫外光，产生的深紫外光依次通过阴极基板的抛物面结构上的通孔、石英出光口射出，实现高转换效率的反射式出光。

优选地，所述的反射式深紫外光源还包括玻璃内胆，所述玻璃内胆设置在所述的外壳的内壁上，用于与外壳绝缘；所述的阴极基板、隔离体、阳极基板形成一个整体置于玻璃内胆中。

进一步地，所述的阴极基板采用金属材质加工而成，其中，阴极基板的抛物面结构上生长或转移有场致电子发射纳米材料的薄膜或阵列，从而形成所述冷阴极结构。

再进一步地，所述的场致电子发射纳米材料采用具有低功函数、高长径比的无序/有序碳纳米管薄膜、直立少层石墨烯、钨及其氧化物纳米材料、钼及其氧化物纳米材料、氧化锌纳米线。

再进一步地，所述阳极基板采用金属材质加工而成，所述超宽禁带半导体设置成单晶块结构，或在蓝宝石基底上外延生长超宽禁带半导体膜层，或在蓝宝石基底上外延生长超宽禁带半导体量子井结构。

再进一步地，所述超宽禁带半导体包括氮化铝、氧化镁、金刚石、氧化铍、铍锌氧化物几种中的一种。

再进一步地，所述超宽禁带半导体的表面采用喷金的方式，镀一层厚度为10nm～30nm的Au膜或Ag膜。

优选地，所述隔离体间隔阴极基板与阳极基板，使阴极基板与阳极基板保持真空间距的范围为50μm～50mm。

优选地，所述电极线通过脉冲驱动电路，对阳极基板施加的电压最高不超过10kV，产生的阴-阳极间电场作用于阴极基板上的冷阴极结构，并激发出空间电子。

优选地，所述的阳极基板包括基板、四个朝基板中心点设置的限位板、螺丝；所述的限位板上设有滑槽；所述的基板上设有与螺丝螺纹连接的螺孔；所述的螺丝穿过限位板上的滑槽与螺孔连接；所述的限位板用于将所述的超宽禁带半导体固定在所述的基板上，通过滑槽调节限位板的相对位置，实现固定不同尺寸大小超宽禁带半导体。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明采用空间自由电子激发的方式，相比UV-LED的传统固态p-n结电注入形式有一定的优点。传统的LED需要同时进行P型和N型的高效掺杂，才能通过电注入方式来进行泵浦，而不少宽禁带半导体的高效掺杂仍难以实现，如金刚石的P型掺杂的浓度只有N型掺杂的1％。本发明利用高能空间电子激发，可以无需考虑掺杂，使位于激活区的超宽禁带半导体材料获得更高的能量并产生更多的发光辐射光子，这种通过吸收能量跃迁的发光形式从某种程度上可以规避传统p-n结电注入式电致发光对薄膜结构及掺杂的特殊高要求，同时提高光萃取效率，进而提高出光效率。因此，对基于超宽禁带半导体的深紫外固态发光器件，采用空间电子激发的形式是一种有效途径。

(2)本发明采用了反射式的深紫外发光结构，相比现有的透射式发光结构，充分考虑了大尺寸宽禁带半导体发光材料其自身对光的自吸收，所产生的发光辐射光子不至于在材料内部的行程中被很快吸收。电子轰击并注入材料所产生的深紫外光电-光转换内量子效率和最终的外量子效率都获得了提升。

(3)本发明将超宽禁带半导体设置在阳极基板上，同步实现了对场发射冷阴极的外电场驱动、空间电子拉取以及对半导体发光材料的电子轰击注入激发，避免了采用冷阴极电子枪结构，大大简化了光源器件结构，缩小了体积，节约了成本。

附图说明

图1是实施例1所述的反射式深紫外光源的装置结构示意图。

图2是实施例1所述的反射式深紫外光源的阴极基板结构示意图。

图3是实施例1所述的反射式深紫外光源的阳极基板结构示意图。

图4是实施例2中所述的有序碳纳米管薄膜材料SEM形貌图。

图5是实施例2所述的金刚石材料实物照片。

图6是实施例2所述的脉冲驱动电路输入驱动电压和输出发射电流脉冲波形图，其中阳极驱动电压为2200V，对应电子发射电流为0.6mA。

图7是实施例2所探测到的深紫外发光谱，其中探测到在205nm处有明显的深紫外发光峰。

图8是实施例3所述的单晶金属钼微米锥阵列材料SEM形貌图。

图9是实施例3氮化铝材料实物照片。

图10是实施例3深紫外发光过程中，从光源石英出光口处拍摄的空间电子激发半导体紫外发光光斑照片。

图中，1-外壳、2-阳极基板、3-阴极基板、4-冷阴极结构、5-石英玻璃、6-隔离体、7-超宽禁带半导体、8-电极线、9-玻璃内胆、10-抛物面结构、11-通孔、12-接线柱、13-基板、14-限位板、15-滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1、图2、图3所示，一种空间电子激发的反射式深紫外光源，包括具有导电特性的阴极基板3、隔离体6、具有导电特性的阳极基板2、外壳1、两条电极线8、石英玻璃5、超宽禁带半导体7；

其中，所述阴极基板3设有抛物面结构10，所述的抛物面结构10的底部开设有通孔11，且所述的抛物面结构10上设有冷阴极结构4；

所述阳极基板2上设有适应不同尺寸大小超宽禁带半导体7的调节机构，所述的超宽禁带半导体7固定在所述的调节机构中；

所述阴极基板3与阳极基板2相向设置，并通过隔离体6隔开形成真空间隙结构，所述的阴极基板3、隔离体6、阳极基板2形成一个整体置于外壳中；

所述的外壳1设有开口，开口内镶嵌石英玻璃5形成石英出光口，所述的外壳1的开口与石英玻璃5封接；所述的阳极基板2上的超宽禁带半导体7、抛物面结构10上的通孔11、石英出光口处于同一水平线上；

本实施例所述的外壳1采用金属材料制备而成，所述的外壳1经过排气、真空封装后，真空度为10^-5Pa～10^-4Pa数量级，构成反射式深紫外光源。

所述的阴极基板3、阳极基板2通过电极线8用于连接脉冲驱动电路，在电场作用下，所述的阴极基板3上冷阴极结构4的产生激发电子，以一定能量轰击阳极基板2上的超宽禁带半导体7的表面，并于同侧产生并发射出深紫外光，产生的深紫外光依次通过阴极基板3的抛物面结构10上的通孔11、石英出光口射出，实现高转换效率的反射式出光。

所产生的深紫外光从超宽禁带半导体7受电子轰击表面的同侧发射，并通过石英出光口，即深紫外光的发射方向与空间电子在电场下的运行轨迹方向相反。

在一个具体的实施例中，所述的反射式深紫外光源还包括玻璃内胆9，所述玻璃内胆9设置在所述的外壳1的内壁上，用于与外壳绝缘；所述的阴极基板3、隔离体6、阳极基板2形成一个整体置于玻璃内胆9中。

在一个具体的实施例中，所述的阴极基板3采用金属材质制备而成，其中，阴极基板3的抛物面结构10上生长或转移有场致电子发射纳米材料的薄膜或阵列，从而形成所述冷阴极结构4。所述的场致电子发射纳米材料采用具有低功函数、高长径比的无序/有序碳纳米管薄膜、直立少层石墨烯、钨及其氧化物纳米材料、钼及其氧化物纳米材料、氧化锌纳米线。

在一个具体的实施例中，所述阳极基板2采用金属材质制备而成，所述超宽禁带半导体7设置成单晶块结构、或在蓝宝石基底上外延生长超宽禁带半导体膜层，或在蓝宝石基底上外延生长超宽禁带半导体量子井结构。所述超宽禁带半导体7包括氮化铝、氧化镁、金刚石、氧化铍、铍锌氧化物几种中的一种。

在一个具体的实施例中，所述超宽禁带半导体7的表面采用喷金的方式，镀一层厚度为10nm～30nm的Au膜或Ag膜，以保证光透过率的前提下提高超宽禁带半导体的导电性，改善与阴极基板3间的电场分布，提升轰击超宽禁带半导体材料表面的空间电子数目。

在一个具体的实施例中，所述阳极基板2的中心位置上设有调节机构，用于固定不同尺寸的宽禁带半导体7的单晶块材，来降低缺陷和非辐射复合中心的密度，从而提升深紫外带边发光效率。具体地，所述的阳极基板2包括基板13、四个朝基板13中心点设置的限位板14、螺丝；所述的限位板14上设有滑槽15；所述的基板13上设有与螺丝螺纹连接的螺孔；所述的螺丝穿过限位板14上的滑槽15与螺孔连接；所述的限位板14用于将所述的超宽禁带半导体7固定在所述的基板13上，四个相对设置的限位板14形成调节机构，通过滑槽15调节限位板的相对位置，实现固定不同尺寸大小超宽禁带半导体7。

在一个具体的实施例中，所述隔离体6间隔阴极基板3与阳极基板2，使阴极基板3与阳极基板2保持真空间距的范围为50μm～50mm。在一个具体的实施例中，所述隔离体6可以为陶瓷隔离体，所述真空间距的范围为100μm～500μm。

在一个具体的实施例中，所述电极线8通过脉冲驱动电路，对阳极基板2施加的电压最高不超过10kV，产生的阴-阳极间电场作用于阴极基板3上的冷阴极结构4，并激发出空间电子；本实施例可对阳极基板2施加的电压范围为2kV～3kV。

本实施例所述的反射式深紫外光源经真空封装后的整体尺寸约为25mm×8mm×8mm，适用于便携式、小型化的器件应用。其中，在与外壳1的石英出光口相对的一端设有接线柱12，所述的电极线8通过接线柱12可接外部脉冲驱动电路，并对光源装置内部的阳极基板2施加电压，产生的电场用于激发来自阴极基板3上的冷阴极结构4的空间电子发射；另一端封接有石英出光口，使得经空间电子激发后，反射式光源结构所产生的深紫外发光可以透过石英玻璃，进行发射。

本实施例所述的反射式深紫外光源，通过反射式的器件结构，可以产生190～280nm波段的深紫外光，并透过所述石英出光口进行发射。本实施例产生的深紫外光波段可达230nm以下，且为带边发光，电-光转换内量子效率高于80％，深紫外发光的外量子效率高于30％。

本实施例所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，采用了空间自由电子激发的形式，可以规避传统固态UV-LED的p-n结电注入式电致发光对薄膜结构及掺杂的特殊高要求，同时提高光萃取效率，进而提高出光效率；采用了紫外发光位于与阴极基板同一侧的反射式结构，可以有效避免大尺寸宽禁带半导体发光材料的自吸收，显著提升深紫外光的电-光转换内量子效率和最终的外量子效率；采用了超宽禁带半导体与阳极基板一体化设置，大大简化了光源器件结构，缩小了体积，节约了成本。

实施例2

基于实施例1所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，即本实施例采用与实施例1相同的反射式深紫外光源。具体的本实施例所述的场致电子发射纳米材料采用有序碳纳米管薄膜，所述的超宽禁带半导体采用金刚石块材，从而进一步验证本实施例所述的空间电子激发的反射式深紫外光源的技术效果。

如图4所示，为有序碳纳米管薄膜材料的SEM形貌图，本实施例将有序碳纳米管薄膜直接转移到阴极基板的抛物面结构上，有效的保证很好的附着力和均匀性。在外部电场的驱动下，有序碳纳米管薄膜从尖端发射电子，产生的高能空间电子用于轰击半导体发光材料表面，注入并产生发光辐射光子，并于同一侧发射出深紫外光。

图5为本实施例的超宽禁带半导体发光材料实物照片，具体为金刚石，尺寸为8mm×8mm。该金刚石被装配并固定于阳极基板2的调节机构，用作被空间电子激发的紫外发光材料。

图6为本实施例的空间电子发射输入驱动电压和输出电流脉冲波形图，采用示波器记录。通过波形分析，本实施例中，通过外部连接的脉冲驱动电路，对阳极基板2施加的驱动电压为2200V，并使阴极基板3上的碳纳米管薄膜抛物面冷阴极进行空间电子发射，输出电流达到了0.6mA。

图7为本实施例对空间电子轰击金刚石表面所产生的深紫外发射光，经由石英出光口发射，并通过光谱仪探测到的深紫外发光光谱。其中，除探测到强度较大的缺陷发光峰(300nm/400nm/600nm)以外，在205nm处有明显的深紫外发光峰。证明本实施例的一种空间电子激发的反射式深紫外光源，可以在深紫外波段产生紫外带边发光。

实施例3

基于实施例1所描述的一种空间电子激发的反射式深紫外光源，即本实施例采用与实施例1相同的反射式深紫外光源。但本实施例选取了与实施例2不同的冷阴极结构和超宽禁带半导体。具体的，本实施例所述的场致电子发射纳米材料采用单晶金属钼微米锥阵列，所述的超宽禁带半导体采用氮化铝，从而进一步验证本实施例所述的空间电子激发的反射式深紫外光源的技术效果。

图8为本实施例的单晶金属钼微米锥阵列材料SEM形貌图，所述的单晶金属钼微米锥阵列通过直接生长在阴极基板的抛物面结构上，其具有很好的均匀性和附着力。在外部电场对阳极基板的驱动下，单晶金属钼微米锥阵列从尖端发射电子，产生的高能空间电子用于轰击半导体发光材料表面，注入并产生发光辐射光子，发射深紫外光。

图9本实施例的氮化铝材料实物照片，其尺寸为4mm×4mm。该氮化铝被装配并固定于阳极基板2的调节机构中，用作空间电子激发的紫外发光材料。

图10为本实施例的深紫外发光过程中，从石英出光口处拍摄的空间电子激发半导体深紫外发光的光斑照片。可以发现，采用本实施例的空间电子激发反射式深紫外光源结构，所产生的深紫外发光可以很好地透过石英玻璃进行发射，并使用外部的探头或CCD进行观测。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：包括具有导电特性的阴极基板、隔离体、具有导电特性的阳极基板、外壳、两条电极线、石英玻璃；

其中，所述阴极基板设有抛物面结构，所述的抛物面结构的底部开设有通孔，且所述的抛物面结构上设有冷阴极结构；

所述阳极基板上设有适应不同尺寸大小超宽禁带半导体的调节机构，所述的超宽禁带半导体固定在所述的调节机构中；

所述阴极基板与阳极基板相向设置，并通过隔离体隔开形成真空间隙结构，所述的阴极基板、隔离体、阳极基板形成一个整体置于外壳中；

所述的外壳设有开口，开口内镶嵌石英玻璃形成石英出光口；所述的阳极基板上的超宽禁带半导体、抛物面结构上的通孔、石英出光口处于同一水平线上；

所述外壳经过排气、真空封装后，形成所述反射式深紫外光源；

所述的阴极基板、阳极基板通过电极线用于连接脉冲驱动电路，在电场作用下，所述的阴极基板上的冷阴极结构产生激发电子，以一定能量轰击阳极基板上的超宽禁带半导体的表面，并于同侧产生并发射出深紫外光，产生的深紫外光依次通过阴极基板的抛物面结构上的通孔、石英出光口射出，实现高转换效率的反射式出光。

2.根据权利要求1所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述的反射式深紫外光源还包括玻璃内胆，所述玻璃内胆设置在所述的外壳的内壁上，用于与外壳绝缘；所述的阴极基板、隔离体、阳极基板形成一个整体置于玻璃内胆中。

3.根据权利要求2所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述的阴极基板采用金属材质加工而成，其中，阴极基板的抛物面结构上生长或转移有场致电子发射纳米材料的薄膜或阵列，从而形成所述冷阴极结构。

4.根据权利要求3所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述的场致电子发射纳米材料采用具有低功函数、高长径比的有序碳纳米管薄膜、无序碳纳米管薄膜、直立少层石墨烯、钨及其氧化物纳米材料、钼及其氧化物纳米材料、氧化锌纳米线。

5.根据权利要求2所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述阳极基板采用金属材质加工而成，所述超宽禁带半导体设置成单晶块结构，或在蓝宝石基底上外延生长超宽禁带半导体膜层，或在蓝宝石基底上外延生长超宽禁带半导体量子井结构。

6.根据权利要求5所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述超宽禁带半导体包括氮化铝、氧化镁、金刚石、氧化铍、铍锌氧化物几种中的一种。

7.根据权利要求6所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述超宽禁带半导体的表面采用喷金的方式，镀一层厚度为10nm～30nm的Au膜或Ag膜。

8.根据权利要求1所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述隔离体间隔阴极基板与阳极基板，使阴极基板与阳极基板保持真空间距的范围为50μm～50mm。

9.根据权利要求1所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述电极线通过脉冲驱动电路，对阳极基板施加的电压最高不超过10kV，产生的阴-阳极间电场作用于阴极基板上的冷阴极结构，并激发出空间电子。

10.根据权利要求1所述的空间电子激发的反射式深紫外光源，其特征在于：所述的阳极基板包括基板、四个朝基板中心点设置的限位板、螺丝；所述的限位板上设有滑槽；所述的基板上设有与螺丝螺纹连接的螺孔；所述的螺丝穿过限位板上的滑槽与螺孔连接；所述的限位板用于将所述的超宽禁带半导体固定在所述的基板上，通过滑槽调节限位板的相对位置，实现固定不同尺寸大小超宽禁带半导体。

Images