JP2009238415A

JP2009238415A - 深紫外蛍光薄膜および深紫外蛍光薄膜を用いたランプ

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Publication number: JP2009238415A
Application number: JP2008079820A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kita; 隆喜多; Yoshitaka Chigi; 慶▲隆▼ 千木; Yoshihiro Kasai; 義弘笠井; Mikihiro Kobayashi; 幹弘小林
Original assignee: Kobe University NUC; Yumex Inc
Current assignee: Kobe University NUC; Yumex Inc
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】高輝度の紫外蛍光薄膜を提供する。
【解決手段】石英のガラス基板３の上に、紫外蛍光薄膜４が形成されている。紫外蛍光薄膜４は、ＡlＮのバッファ層５、ＧｄＮ層６、ＡlＮの保護層７を有している。ＡlＮは、ＧｄＮと結晶構造が似ており、かつ、バンドギャップがＧｄＮの発光エネルギーよりも大きい。したがって、バッファ層５または保護層７のいずれの方向にもＵＶ光を取り出すことができる。紫外蛍光薄膜４は、真空中で冷陰極電子放出源から電界放出させた電子を高速で衝突させることにより、電子により励起されＵＶ光を放出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＶ発光をする紫外蛍光薄膜に関し、特に、発光強度の向上に関する。

特許文献１には、発光層をアルミニウムとガドリニウムとを含有する窒化物で構成した無機ＥＬ素子が開示されている。この無機ＥＬ素子によりＵＶ光を得ることができる。

特開２００８−１６２６５号公報

しかし、特許文献1のＥＬ素子では、十分な輝度のＵＶ光を得ることができない。発明者は、添加するガドリニウムの濃度を高くすることにより輝度を高くすることができるのでないかと考え、実験を行ったところ、添加するガドリニウムの添加濃度が約３％を超えると、発光強度が低下することが分かった。

この発明は、上記問題を解決するとともに、高輝度の紫外蛍光薄膜を提供することを目的とする。さらに、上記高輝度の紫外蛍光薄膜を用いたランプを提供することを目的とする。

１）本発明にかかる紫外蛍光薄膜は、薄膜形成物の上に形成される窒化ガドリニウム層、前記窒化ガドリニウム層の上に形成される保護層を備えている。かかる窒化ガドリニウム層により、高輝度の紫外蛍光体素子を得ることができる。

２）本発明にかかる紫外蛍光薄膜においては、前記薄膜形成部と前記窒化ガドリニウム層との間に、前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ているバッファ層を有する。したがって、前記薄膜形成物の上に窒化ガドリニウム層を安定的に形成できる。

３）本発明にかかる紫外蛍光薄膜においては、前記保護層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する酸化防止膜である。したがって、前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する。

４）本発明にかかる紫外蛍光薄膜においては、前記バッファ層または前記保護層は、バンドギャップが窒化ガドリニウムの発光エネルギーよりも大きな材質である。したがって、ＵＶ光を取り出す方向に応じて、その層を上記材質とすることにより、ＵＶ光を減衰なしで外部に放出させることができる。

５）本発明にかかる紫外蛍光薄膜においては、前記バッファ層または前記保護層を窒化アルミニウムで構成した。したがって、ＵＶ光を取り出す方向に応じて、その層を窒化アルミニウムで構成することにより、ＵＶ光を減衰なしで外部に放出させることができる。

６）本発明にかかる紫外蛍光薄膜は、Ａ）窒化ガドリニウム層をバッファ層および保護層で挟み込んだ紫外蛍光薄膜であって、Ｂ）前記バッファ層は、前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ており、Ｃ）前記保護層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する酸化防止膜である。窒化ガドリニウム層により高輝度の紫外蛍光体素子を得ることができる。また、前記バッファ層は前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ており、前記保護層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する。したがって、薄膜対象物の表面結晶構造等に関わらず形成対象物の上に窒化ガドリニウム層を安定的に形成でき、かつ、その酸化も防止できる。

７）本発明にかかる紫外蛍光薄膜の形成方法は、Ａ）薄膜形成物の上に、第１の層を形成し、Ｂ）前記第１の層の上に窒化ガドリニウム層を形成し、Ｃ）前記窒化ガドリニウム層の上に第２の層を形成する紫外蛍光薄膜の形成方法であって、Ｄ）前記第１の層は前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ており、Ｅ）前記第２の層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する酸化防止膜である。前記窒化ガドリニウム層により、高輝度の紫外蛍光体素子を得ることができる。また、前記第１の層は前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ており、前記第２の層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する。したがって、前記基板の上に窒化ガドリニウム層を安定的に形成でき、かつ、その酸化も防止できる。

８）本発明にかかる放電ランプは上記いずれかの紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いている。したがって、高輝度のＵＶ光を放出する放電ランプを提供することができる。

９）本発明にかかる直流ショートアーク型放電ランプは、Ａ）不活性ガスが封入された封体、Ｂ）前記封体内に設けられた陰極、Ｃ）前記陰極に対向して設けられた陽極を備え、Ｄ）前記陽極の陰極対向面には、前記紫外蛍光薄膜が付着されている。したがって、高輝度のＵＶ光を放出する直流ショートアーク型放電ランプを提供することができる。

１０）本発明にかかる交流ロングアーク型放電ランプは、Ａ）不活性ガスが封入された封体、Ｂ）前記封体内に設けられた第１の電極、Ｃ）前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極を備え、Ｄ）前記封体の内側面には前記紫外蛍光薄膜が付着されている。高輝度のＵＶ光を放出する交流ロングアーク型放電ランプを提供することができる。

１１）本発明にかかるランプは前記紫外蛍光薄膜に電子線を照射して、発光させる。したがって、高輝度のＵＶ光を放出するランプを提供することができる。

１２）本発明にかかる電界励起型発光デバイスは、前記紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いている。したがって、高輝度のＵＶ光を放出する電界励起型発光デバイスを提供することができる。

１３）本発明にかかる電界励起型発光デバイスは、前記紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いた電界励起型発光デバイスにおいて、前記紫外蛍光薄膜は、凹型基板に形成されており、凹型面にＵＶ光を取り出して、集光する。したがって、高輝度のＵＶ光を放出する電界励起型発光デバイスを提供することができる。

１４）本発明にかかる電界励起型発光デバイスは、前記半球面の任意の位置に電子を照射する電子銃を有する。したがって、任意の位置にてＵＶ光の発光が可能となる。

１５）本発明にかかる電界励起型発光デバイスは、前記紫外蛍光薄膜に対向して、複数の陰極が設けられており、各陰極について電圧を印加するか否かを決定する制御部を有する。したがって、発光を希望する陰極に電圧を印加することにより、任意の位置にてＵＶ光の発光が可能となる。

１６）本発明にかかる放電ランプは、窒化アルミニウムをホスト材料としてガドリニウムを添加した紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いている。したがって、高輝度のＵＶ光を放出する放電ランプを提供することができる。

１７）本発明にかかる直流ショートアークランプ型放電ランプは、窒化アルミニウムをホスト材料としてガドリニウムを添加した紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いたランプであって、Ａ）希ガスが封入された封体、Ｂ）前記封体内に設けられた陰極、Ｃ）前記陰極に対向して設けられた陽極を備え、Ｄ）前記陽極の陰極対向面には、前記紫外蛍光薄膜が付着されている。したがって、高輝度のＵＶ光を放出する直流ショートアークランプ型放電ランプを提供することができる。

１８）本発明にかかる交流ロングアーク型放電ランプは、窒化アルミニウムをホスト材料としてガドリニウムを添加した紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いたランプであって、Ａ）希ガスが封入された封体、Ｂ）前記封体内に設けられた第１の電極、Ｃ）前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極を備え、Ｄ）前記封体の内側面には前記紫外蛍光薄膜が付着されている。したがって、高輝度のＵＶ光を放出する交流ロングアーク型放電ランプを提供することができる。

１９）本発明にかかる無機ＥＬ素子は、前記紫外蛍光薄膜を挟み込む１組の電極を有する。したがって、無機ＥＬ素子を構成することができる。

なお、請求項における「第１の層」は実施形態では、バッファ層５が該当し、「第２の層」は保護層７が該当する。

図１に、本発明にかかる紫外蛍光薄膜４の構造模式断面図を示す。紫外蛍光薄膜４は石英のガラス基板３の上に形成されている。紫外蛍光薄膜４は、窒化アルミニウム（ＡlＮ）のバッファ層５、ガドリニウムナイトライド（ＧｄＮ)層６、窒化アルミニウム（ＡlＮ）の保護層７を有している。

本実施形態においては、バッファ層５を設けている。これにより、結晶構造が異なるガラス基板３の上にガドリニウムナイトライド層６を容易に形成することができる。なぜなら、ガドリニウムナイトライド層６を構成するガドリニウムの結晶構造は六方晶構造（六方最密充填構造）であり，窒化アルミニウムも六方晶構造（ウルツ鉱構造）である。したがって、このような結晶構造のバッファ層を設けることにより、ガドリニウムナイトライド層６を安定的に積層できるからである。なお、バッファ層５の材質については、結晶構造が似ている材質であればこれに限定されない。また、バッファ層５を設けなくてもよい。

保護層７は、ガドリニウムナイトライド層６の表面を保護する。その１つの機能として、ガドリニウムナイトライド層６の酸化を防止する。

また、バッファ層５または保護層７については、放出される深紫外線がＧｄＮが放出した光を減衰なしで外部に放出させるためには、バンドギャップがＧｄＮの発光エネルギーよりも大きな材質であることが好ましい。ＡlＮは、ＧｄＮと結晶構造が似ており、かつ、バンドギャップがＧｄＮの発光エネルギーよりも大きい。本実施形態においては、バッファ層５と保護層７をともにＡlＮで構成した。これにより、ガドリニウムナイトライド層６の成膜および保護ができるとともに、バッファ層５または保護層７のいずれの方向にもＵＶ光を取り出すことができる。

なお、バンドギャップがＧｄＮの発光エネルギーよりも大きな材質として、窒化アルミニウム以外に、SiO₂、Si₃N₄、AL₂O₃ 、La₂O₃ 、HfO₃、ZrO₃など各種の薄膜が採用できる。

例えば、取り出す方向が、基板側であれば、バッファ層は結晶構造が似ており、バンドギャップ性質がＧｄＮの発光エネルギーよりも大きいほうが好ましい。この場合、保護膜は酸化防止できればよい。また、取り出す方向が保護膜側であれば、保護膜は酸化防止ができ、かつバンドギャップがＧｄＮの発光エネルギーよりも大きいほうが好ましい。

紫外蛍光薄膜４は、冷陰極電界放出型の発光装置として構成される。冷陰極電界放出型の発光装置の発光メカニズムは、真空中で冷陰極電子放出源から電界放出させた電子を高速で紫外蛍光薄膜４に衝突させると、紫外蛍光薄膜４が電子により励起し発光するというものである。

図２に紫外蛍光薄膜４を用いた深紫外光源デバイスの具体的な構成を示す。Ｓｉ基板１１及びＳｉ基板上に低温成長させたＳｉドープＡlＮ薄膜１２をカソード１０（陰極）とし、基板上に形成された紫外蛍光薄膜４をアノード１４（陽極）として、スペーサ８を介して対向させる。カソード１０とアノード１４間の空隙を真空雰囲気に保持する。カソード１０はフィールドエミッターとして機能し、電子を放出する。かかる電子は、カソード１０に対して正の電位を与えたグリッド９によって引き出され、さらに正の高電圧を与えたアノード１４上の紫外蛍光薄膜４に衝突し、ＵＶ光が放出される。

図３に、紫外蛍光薄膜４の発光スペクトルを示す。スパッタリングの基板温度によって半値幅は多少変わるものの、いずれも波長３１７nmの急峻な発光ピークが得られた。

紫外蛍光薄膜４の製造方法について説明する。本実施形態においては、下記の条件下で、反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて製造した。

〔バッファ層５〕
ターゲット:Ａｌ円板（直径60mm）
基板：石英ガラス
基板温度：300度（摂氏）
高周波電力：250 W
反応性ガス：N₂
ガス圧：5.0 Pa （Ar:N₂ = 1:1）
成長時間：30分
〔ガドリニウムナイトライド層６〕
ターゲット：Gd円板（直径60mm）
基板：石英ガラス
基板温度：500度（摂氏）
高周波電力：250 W
反応性ガス：N₂
ガス圧：5.0 Pa （Ar:N₂ = 1:1）
基板・ターゲット間：6.0cm
背圧：< 2.0x10^-5 Pa
成長時間：60分
〔保護層７〕
ターゲット:Ａｌ円板（直径60mm）
基板：石英ガラス
基板温度：300度（摂氏）
高周波電力：250 W
反応性ガス：N₂
ガス圧：5.0 Pa （Ar:N₂ = 1:1）
成長時間：30分
上記条件下で、順次スパッタリングを行うことで、ガドリニウムナイトライド層６を、ＡlＮのバッファ層５および保護層７で挟み込んだ紫外蛍光薄膜がガラス基板３上に形成される。

この実施形態においては、成長時間としてバッファ層５および保護層７を30分とし、ガリウムナイトライド層６を60分としたが、これに限定されるものではない。

以下、図４〜図７を用いて紫外蛍光薄膜４を適用したランプを説明する。図４はショートアークランプに適用した例である。この実施形態では、陽極２５の先端に紫外蛍光薄膜２７が形成されている。バルブ２１内には希ガス（キセノン、アルゴンなど）が封入されている。陰極２３から放出された電子が紫外蛍光薄膜２７に衝突し、ＵＶ光が放出される。なお、電極先端の形状をこの実施形態では球面としているが、これに限定されず、たとえば、円錐の先端をカットした形状としてもよい。かかるショートアークランプについての発光メカニズムについては明らかではないが、発明者は、陰極２３から放出された電子が陽極２５に直接または、バルブ２１内の希ガスイオンに衝突した電子が陽極２５に到達し、ＵＶ光が放出されるのではないかと考えた。また、電子がバルブ２１内の希ガスイオンに衝突した時に、希ガス原子から紫外線が発生し、かかる紫外線が陽極２５の先端の紫外蛍光薄膜２７に衝突し、ＵＶ光が放出される（紫外線励起）。これにより、水銀を用いないＵＶランプを実現することができる。

なお、この実施形態では、紫外蛍光薄膜２７を陽極表面に形成しているが、ガラス基板に代えて陽極の上に上記反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置にて薄膜を形成すればよい。

図５は交流制御のロングアークランプに適用した例である。バルブ３１内には希ガス（キセノン、アルゴンなど）が封入されている。電極３３、３５から放出された電子はバルブ３１内の希ガスイオンに衝突した時に、希ガス原子から紫外線が発生し、かかる紫外線がバルブ３１の内壁に形成された紫外蛍光薄膜３７に衝突し、ＵＶ光が放出される（紫外線励起）。

なお、紫外蛍光薄膜を内壁に形成するには、短冊状のガラス基板の上に形成した薄膜を内壁に貼り付けるなど、各種の手法を採用することができる。

図６は電子線照射するランプである。フィラメント４１で加熱された電子がグリッド４３で加速されて、紫外蛍光薄膜３７に衝突して、ＵＶ光が放出される。

図７に半球面上に紫外蛍光薄膜５３を形成したランプを示す。電子銃５１から照射された電子が紫外蛍光薄膜５３に衝突して、ＵＶ光が放出される。電子銃５１はスキャンしながら電子を照射するので、時系列で順次ＵＶ光が放出される。放出されたＵＶ光は集光部５５で集光される。

また、この例では１の電子銃で走査する場合について説明したが、電界をかけて電子の照射位置を変更するようにしてもよい。また、複数の電子銃を設けておき、照射範囲を分担するようにしてもよい。

さらに、電子銃ではなく、多数の陰極を対向させて配置し、各陰極について電圧を印加するか否かを決定する制御部を設けるようにしてもよい。陰極を透過性の電極を用いればよい。

なお、図７においては、凹面側に陰極を設け、凹面側にＵＶ光を取り出す場合について説明したが、凸面側に陰極または電子銃を設け、凹面側にＵＶ光を取り出すようにしてもよい。

また、図４〜図７のランプについては、上記紫外蛍光薄膜以外の紫外蛍光薄膜を採用することもできる。たとえば、ＡlＮをホスト材料としてＧｄを添加したＡlＮ−Ｇｄ薄膜を採用してもよい。ＡlＮ−Ｇｄ薄膜は、窒素雰囲気下でＡＬおよびＧｄをスパッタリングすればよい。

また、本実施形態においては、紫外蛍光薄膜形成材料の上に、ＡlＮのバッファ層、ガドリニウムナイトライド層、ＡlＮの保護層の３層を形成し、これにより、ガドリニウムナイトライド層を２つのＡlＮ層で挟み込む様にした。かかるＡlＮは透明であるので、バッファ層側、保護層側のいずれにもＵＶ光を取り出すことができる。しかし、ＵＶ光を取り出す方向以外の層については、バンドギャップがＧｄＮの発光エネルギーよりも大きい必要はない。

また、バッファ層、および保護層については、２以上の材質で構成されていてもよく、さらにそれぞれ複数の層で構成するようにしてもよい。

また、本発明にかかる紫外蛍光薄膜４を１組の電極（陽極および陰極）で挟み込むことにより、無機ＥＬ素子として構成することもできる。

本発明にかかる紫外蛍光薄膜１の構造模式図である。紫外蛍光薄膜を用いた深紫外光源デバイスの構成を示す図である。紫外蛍光薄膜の発光スペクトルを示す図である。本発明にかかる紫外蛍光薄膜を用いた放電ランプを示す図である。本発明にかかる紫外蛍光薄膜を用いた放電ランプを示す図である。本発明にかかる紫外蛍光薄膜を用いた電子線照射型のランプを示す図である。本発明にかかる紫外蛍光薄膜を用いた深紫外光源デバイスの構成を示す図である。

符号の説明

３・・・・・ガラス基板
４・・・・・紫外蛍光薄膜
５・・・・・バッファ層
６・・・・・ガドリニウムナイトライド（ＧｄＮ)層
７・・・・・保護層
１０・・・・・カソード（陰極）
１４・・・・・アノード（陽極）

Claims

薄膜形成物の上に形成される窒化ガドリニウム層、
前記窒化ガドリニウム層の上に形成される保護層、
を備えた紫外蛍光薄膜。
請求項１の紫外蛍光薄膜において、
前記薄膜形成部と前記窒化ガドリニウム層との間に、前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ているバッファ層を有すること、
を特徴とする紫外蛍光薄膜。
請求項１または請求項２の紫外蛍光薄膜において、
前記保護層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する酸化防止膜であること、
を特徴とする紫外蛍光薄膜。
請求項２または請求項３の紫外蛍光薄膜において、
前記バッファ層または前記保護層は、バンドギャップが窒化ガドリニウムの発光エネルギーよりも大きな材質であること、
を特徴とする紫外蛍光薄膜。
請求項２〜請求項４のいずれかの紫外蛍光薄膜において、
前記バッファ層または前記保護層を窒化アルミニウムで構成したこと
を特徴とする紫外蛍光薄膜。
窒化ガドリニウム層をバッファ層および保護層で挟み込んだ紫外蛍光薄膜であって、
前記バッファ層は、前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ており、
前記保護層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する酸化防止膜であること、
を特徴とする紫外蛍光薄膜。
薄膜形成物の上に、第１の層を形成し、
前記第１の層の上に窒化ガドリニウム層を形成し、
前記窒化ガドリニウム層の上に第２の層を形成する紫外蛍光薄膜の形成方法であって、
前記第１の層は前記窒化ガドリニウムと結晶構造が似ており、
前記第２の層は前記窒化ガドリニウム層の酸化を防止する酸化防止膜であること、
を特徴とする紫外蛍光薄膜の形成方法。
請求項１〜６のいずれかの紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いた放電ランプ。
請求項１〜６のいずれかの紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いたランプであって、
不活性ガスが封入された封体、
前記封体内に設けられた陰極、
前記陰極に対向して設けられた陽極、
を備え、
前記陽極の陰極対向面には、前記紫外蛍光薄膜が付着されていること、
を特徴とする直流ショートアーク型放電ランプ。
請求項１〜６のいずれかの紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いたランプであって、
不活性ガスが封入された封体、
前記封体内に設けられた第１の電極、
前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極、
を備え、
前記封体の内側面には前記紫外蛍光薄膜が付着されていること、
を特徴とする交流ロングアーク型放電ランプ。
請求項１〜６のいずれかの紫外蛍光薄膜に電子線を照射して、発光させるランプ。
請求項１〜６のいずれかの紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いた電界励起型発光デバイス。
請求項１〜６のいずれかの紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いた電界励起型発光デバイスにおいて、
前記紫外蛍光薄膜は、凹型基板に形成されており、凹型面にＵＶ光を取り出して、集光すること、
を特徴とする電界励起型発光デバイス。
請求項１３の電界励起型発光デバイスにおいて、
前記半球面の任意の位置に電子を照射する電子銃を有すること、
を特徴とする電界励起型発光デバイス。
請求項１３の電界励起型発光デバイスにおいて、
前記紫外蛍光薄膜に対向して、複数の陰極が設けられており、
各陰極について電圧を印加するか否かを決定する制御部を有すること、
を特徴とする電界励起型発光デバイス。
窒化アルミニウムをホスト材料としてガドリニウムを添加した紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いた放電ランプ。
窒化アルミニウムをホスト材料としてガドリニウムを添加した紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いたランプであって、
希ガスが封入された封体、
前記封体内に設けられた陰極、
前記陰極に対向して設けられた陽極、
を備え、
前記陽極の陰極対向面には、前記紫外蛍光薄膜が付着されていること、
を特徴とする直流ショートアークランプ型放電ランプ。
窒化アルミニウムをホスト材料としてガドリニウムを添加した紫外蛍光薄膜を紫外蛍光発光体として用いたランプであって、
希ガスが封入された封体、
前記封体内に設けられた第１の電極、
前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極、
を備え、
前記封体の内側面には前記紫外蛍光薄膜が付着されていること、
を特徴とする交流ロングアーク型放電ランプ。
請求項１〜６のいずれかの紫外蛍光薄膜、
前記紫外蛍光薄膜を挟むこむ１組の電極、
を備えた無機ＥＬ素子。