JP2013135035A - 電子線励起型光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光素子から放射される光の利用効率が高く、高い光出力を実現することのできる電子線励起型光源装置を提供すること。
【解決手段】 この電子線励起型光源装置は、光取出し窓を有する真空容器を具え、当該真空容器の内部に、電子線源と、紫外光を放射する半導体発光素子とを配置し、当該電子線源から放射される電子線が入射する表面と前記光取出し窓とが離間して対向するよう配置されてなる構成のものにおいて、前記半導体発光素子の側面から放射される光を前記光取出し窓に向けて反射する反射鏡が設けられた構成とされている。この電子線励起型光源装置においては、反射鏡が金属よりなり、当該反射鏡に、半導体発光素子の裏面を支持する金属よりなる高熱伝導部材に対して負の電位状態となるよう電圧を印加する電圧印加手段が接続された構成とされていることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子線を半導体発光素子に照射することにより当該半導体発光素子を発光させる電子線励起型光源装置に関する。

電子線を半導体発光素子に照射することにより当該半導体発光素子を発光させる電子線励起型光源装置は、小型で出力の高い紫外線を放射する光源として期待されている。例えば特許文献１には、光透過窓を有する真空容器を具え、この真空容器内において、光透過窓の内面に、半導体発光素子の両面に光反射部材が配置されてなるレーザー構造体が配置されると共に、当該真空容器の底壁の内面に、半導体発光素子に電子線を照射する電子線源がレーザー構造体に対向するよう配置され、半導体発光素子および電子線源が、真空容器の外部に設けられた、加速電圧を印加するための電子加速手段に電気的に接続された構成の電子線励起型光源装置が記載されている。
この電子線励起型光源装置においては、電子線源から放出された電子は、半導体発光素子と電子線源との間に印加された加速電圧によって加速されて電子線が形成され、この電子線が光反射部材を介して半導体発光素子に入射されることにより、半導体発光素子から光が放射され、この光は、光反射部材によって共振されることにより、レーザー光として光透過窓を介して外部に放射される。

また、例えば特許文献２には、電子銃によって半導体発光素子の一面に対してその斜めの方向から電子線を入射することにより、当該半導体発光素子における電子線が入射された一面から光が出射される電子線励起型光源装置が提案されている。

特開平０９−２１４０２７号公報 特許第３６６７１８８号公報

しかしながら、上記のような電子線励起型光源装置においては、いずれのものも、半導体発光素子から放射される光の一部しか外部に取り出されておらず、発光した光が効率よく利用されていないことが明らかになった。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、半導体発光素子から放射される光の利用効率が高く、高い光出力を実現することのできる電子線励起型光源装置を提供することにある。

本発明の電子線励起型光源装置は、光取出し窓を有する真空容器を具え、当該真空容器の内部に、電子線源と、紫外光を放射する半導体発光素子とを配置し、
当該電子線源から放射される電子線が入射する当該半導体発光素子の表面と前記光取出し窓とが離間して対向するよう配置されてなる電子線励起型光源装置において、
前記半導体発光素子の側面から放射される光を前記光取出し窓に向けて反射する反射鏡が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の電子線励起型光源装置においては、前記反射鏡が金属よりなることが好ましい。
このような構成の電子線励起型光源装置においては、前記半導体発光素子は、前記表面に対向する裏面が金属よりなる高熱伝導部材によって支持されており、
前記反射鏡には、当該高熱伝導部材に対して負の電位状態となるよう電圧を印加する電圧印加手段が接続された構成とされていることが好ましい。
さらにまた、前記反射鏡における反射面には、前記半導体発光素子から放射される紫外光に対して透光性を有する誘電体からなる保護層が形成された構成とされていることが好ましい。

本発明の電子線励起型光源装置によれば、半導体発光素子の側面から放射される光を光取出し窓に向けて反射する反射鏡が設けられた構成とされていることにより、半導体発光素子の側面から放射される光を光取出し窓を介して出射させることができるので、光取出し効率を向上させることができて高い出力を得ることができる。

また、反射鏡が金属よりなり、半導体発光素子を支持する高熱伝導部材に対して負の電位状態となるよう電圧を反射鏡に印加する電圧印加手段が接続された構成とされていることにより、反射鏡の反射面付近に形成される負の電界の作用によって、電子線を半導体発光素子の表面に向かって集束させることができるので、半導体発光素子への電子到達率を向上させることができ、これにより、半導体発光素子の励起効率を向上させることができて高い発光強度を得ることができる。さらに、半導体発光素子に電子が入射した際に放出される二次電子が反射鏡に入射されることを回避することができるので、反射鏡の帯電やスパッタリングによる表面損傷の発生による反射鏡の本来の機能が低下することを抑制することができる。

本発明の電子線励起型光源装置の一例における構成の概略を示す側面断面図である。 図１に示す電子線励起型光源装置の、光取出し窓を取り外した状態を示す平面図である。 半導体発光素子と反射鏡の位置関係を示す概略図である。 反射鏡用電源によって負の電圧が反射鏡に印加された状態を示す観念図である。 半導体発光素子から放射されるＤＵＶ光の光線追跡線を示す観念図である。 電子線の軌跡が電界制御用電極のみによって制御される構成の電子線励起型光源装置の一例を示す側面断面図である。 本発明の電子線励起型光源装置の他の例における構成の概略を示す側面断面図である。 本発明の電子線励起型光源装置のさらに他の例における構成の概略を示す側面断面図である。 本発明の電子線励起型光源装置のさらに他の例における構成の概略を、光取出し窓を取り外した状態で示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の電子線励起型光源装置の一例における構成の概略を示す側面断面図、図２は、図１に示す電子線励起型光源装置の、光取出し窓を取り外した状態を示す平面図である。なお、図２においては、便宜上、電子線源に斜線が付してある。
この電子線励起型光源装置は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状の真空容器１０を有し、この真空容器１０は、一面（図１において上面）に開口を有する容器基体１１と、この容器基体１１の開口に配置されて当該容器基体１１に気密に封着された光取出し窓１５とによって構成されている。

真空容器１０内には、半導体発光素子２０が、電子線源から放射される電子線が入射される表面（図１において上面、以下、「主表面」という。）２０ａが光取出し窓１５と離間して対向するよう配置され、その裏面２０ｂが金属よりなる高熱伝導部材（ヒートシンク）１６によって支持されており、高熱伝導部材１６を介して、真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。

この半導体発光素子２０の周辺領域には、面状の電子線放出部３２が形成されてなる電子線源３０が、当該半導体発光素子２０を取り囲むよう配置されている。具体的には、電子線源３０は円環状の帯状体として構成されており、電子線放出部３２における電子線が放射される表面が半導体発光素子２０における主表面２０ａと同方向を向いた姿勢すなわち真空容器１０の光取出し窓１５を向いた姿勢で、半導体発光素子２０を取り囲むよう配置され、この状態で、支持部材３４を介して真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。

半導体発光素子２０を支持する高熱伝導部材１６および電子線源３０の両者は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図１において一点鎖線で示す。）を介して、真空容器１０の外部に設けられた、加速電圧を印加するための電子加速手段Ｖａに電気的に接続されている。ここに、電子加速手段Ｖａによって印加される電子線の加速電圧は、例えば−７〜−９ｋＶであることが好ましい。加速電圧が過小である場合には、高い光の出力を得ることが困難となる。一方、加速電圧が過大である場合には、半導体発光素子２０からＸ線が発生しやすくなり、また、電子線のエネルギーにより、半導体発光素子２０がダメージを受けやすくなるため、好ましくない。

そして、半導体発光素子２０に対して電子線源３０より外方の位置には、電子線源３０から放射された電子線の軌道を半導体発光素子２０における主表面２０ａに向かって指向させる電界制御用電極５０が配置されている。具体的には、電界制御用電極５０は、電子線源３０の外径より大きい内径を有する胴部５１と、この胴部５１に連続して形成された、先端（図１において上端）に向かって小径となるテーパ部５２とよりなる円筒体により構成されている。この電界制御用電極５０は、電子線源３０の外周を取り囲むよう配置されており、当該電界制御用電極５０の基端が、真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。電界制御用電極５０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図１において一点鎖線で示す。）を介して、真空容器１０の外部に設けられた電界制御用電源Ｖｅに電気的に接続されている。ここに、電界制御用電源Ｖｅによって電界制御用電極５０に印加される電圧は、例えば−７〜−１０ｋＶである。

真空容器１０の内部において、光取出し窓１５の内面には、光取出し窓１５に電荷が蓄積されることを防止するためのチャージアップ防止部材５５が設けられている。この例においては、チャージアップ防止部材５５は、例えば互いに電気的に接続された複数本の線材が例えば等間隔毎に離間して並んだ位置に並設されて構成されている。チャージアップ防止部材５５および半導体発光素子２０を支持する高熱伝導部材１６の両者は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図１において一点鎖線で示す。）を介して、真空容器１０の外部に設けられたチャージアップ防止部材用電源Ｖｗに電気的に接続されている。ここに、チャージアップ防止部材用電源Ｖｗによってチャージアップ防止部材５５に印加される電圧は、例えば−０．０１〜−１ｋＶである。

真空容器１０における容器基体１１を構成する材料としては、石英ガラス等のガラス、アルミナ等のセラミックスなどの絶縁材料を用いることができる。
また、真空容器１０における光取出し窓１５を構成する材料としては、半導体発光素子２０からの光を透過し得るものが用いられ、例えば石英ガラス、サファイアなどを用いることができる。
また、真空容器１０の内部の圧力は、例えば１０^-4〜１０^-6Ｐａである。

高熱伝導部材１６を構成する金属材料としては、銅などを用いることができる。

半導体発光素子２０は、例えばサファイアよりなる基板２１と、この基板２１の一面上に形成された例えばＡｌＮよりなるバッファ層２２と、このバッファ層２２の一面上に形成された、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する活性層２５とにより構成されている（図５参照。）。
この例における半導体発光素子２０は、活性層２５が真空容器１０における光取出し窓１５に対向した状態で、基板２１が高熱伝導部材１６にロウ付け等で接合されている。
基板２１の厚みは、例えば１０〜１０００μｍであり、バッファ層２２の厚みは、例えば１００〜１０００ｎｍである。
また、半導体発光素子２０における活性層２５と電子線源３０との離間距離は、例えば５〜１５ｍｍである。
また、半導体発光素子２０における主表面２０ａと光透過窓１５の内面との距離は、例えば３〜２５ｍｍである。

活性層２５は、それぞれＩｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一または複数の量子井戸層と単一または複数の障壁層とが、バッファ層２２上にこの順で交互に積層されて構成されている。
量子井戸層の各々の厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。また、障壁層はその禁制帯幅が量子井戸層のそれよりも大きくなるように組成を選択され、一例としては、ＡｌＮを用いればよく、各々の厚みは量子井戸層の井戸幅より大きく設定され、具体的には、例えば１〜１００ｎｍである。
活性層２５を構成する量子井戸層の周期は、量子井戸層、障壁層および活性層２５全体の厚みや、用いられる電子線の加速電圧などを考慮して適宜設定されるが、通常、１〜１００である。

上記の半導体発光素子２０は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって形成することができる。具体的には、水素および窒素からなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用い、サファイアよりなる基板２１の（０００１）面上に気相成長させることにより、所要の厚みを有するＡｌＮからなるバッファ層２２を形成した後、水素ガスおよび窒素ガスからなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用い、バッファ層２２上に気相成長させることにより、所要の厚みを有するＩｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する活性層２５を形成し、以て、半導体発光素子２０を形成することができる。
上記のバッファ層２２、量子井戸層および障壁層の各形成工程において、処理温度、処理圧力および各層の成長速度などの条件は、形成すべきバッファ層２２、量子井戸層および障壁層の組成や厚み等に応じて適宜に設定することができる。
また、ＩｎＡｌＧａＮよりなる量子井戸層を形成する場合には、原料ガスとして、上記のものに加えてトリメチルインジウムを用い、処理温度をＡｌＧａＮよりなる量子井戸層２６を形成する場合よりも低く設定すればよい。
また、半導体多層膜の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、例えばＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）なども用いることができる。

電子線源３０における電子線放出部３２は、多数のカーボンナノチューブが支持基板３１上に支持されることによって形成されている。また、電子線源３０における電子線放出部３２の上方には、当該電子線放出部３２から電子を放出するための網状の引き出し電極３５が当該電子線放出部３２に離間して対向するよう配置されている。支持基板３１および引き出し電極３５は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図１において一点鎖線で示す）を介して、真空容器１０の外部に設けられた、電子線制御用電源Ｖｇに電気的に接続されている。ここに、電子線制御用電源Ｖｇによって電子線源３０と引き出し電極３５との間に印加される電圧は、例えば−５〜−７ｋＶである。

支持基板３１を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
支持基板３１上にカーボンナノチューブよりなる電子線放出部３２を形成する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば表面に金属触媒層が形成された支持基板３１を加熱し、ＣＯやアセチレン等のカーボンソースガスを供給することにより、支持基板３１の表面に形成された金属触媒層上にカーボンを堆積してカーボンナノチューブを形成する熱ＣＶＤ法、アーク放電法等によって形成されたカーボンナノチューブの粉体および有機バインダーが液状媒体中に含有されてなるペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷によって支持基板３１の表面に塗布して乾燥するスクリーン印刷法などを好適に用いることができる。
また、引き出し電極３５を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。

電界制御用電極５０を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銀、銅、チタン、ジルコニウムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。

チャージアップ防止部材５５を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銀、銅、チタン、ジルコニウムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。

而して、上記の電子線励起型光源装置においては、真空容器１０の内部における半導体発光素子２０と電子線源３０との間の位置であって、放電の発生が回避される十分な大きさの電極間距離が確保されながら、半導体発光素子２０に可及的に近接した位置に、少なくとも半導体発光素子２０の側面２０ｃから放射される光を光取出し窓１５に向けて反射する反射構造体４０が設けられている。
この例における反射構造体４０は、例えば凹面状の反射面Ｒを有する外形形状が円筒状のものであって、例えば容器基体１１にフリットガラスを用いて固着された例えばガラスまたはセラミックスなどからなる支持体４１と、この支持体４１の内表面に例えば蒸着によって形成された金属膜とにより構成されており、当該金属膜により反射鏡４２が形成されている。なお、支持体４１は、容器基体１１と一体物として形成されていてもよい。

反射構造体４０としては、反射鏡４２の反射面Ｒの受光角度が、半導体発光素子２０への電子到達率および半導体発光素子２０の主表面２０ａから直接的に光取出し窓１５を介して放射される光の光取出し効率を低下させない範囲内で、可及的に大きく設定されたものが用いられており、反射鏡４２における上端部（頂部）が電界制御用電極５０による電界の作用によって反発される電子軌道を遮ることのないよう半導体発光素子２０の主表面２０ａのレベル位置よりも高いレベル位置に位置されると共に反射鏡４２における下端部が半導体発光素子２０の主表面２０ａのレベル位置よりも低いレベル位置に位置される状態で、半導体発光素子２０の周囲を取り囲むよう配置されている。
具体的には、図３に示すように、反射鏡４２の上端部が半導体発光素子２０の主表面２０ａにおける中央位置（形状中心位置）と電界制御用電極５０の上端内縁位置とを結ぶ直線Ｌ１上に位置されると共に反射鏡４２の下端部が半導体発光素子２０の主表面２０ａの上端外縁と高熱伝導部材１６の上端外縁とを結ぶ直線Ｌ２上に位置されており、半導体発光素子２０の主表面２０ａにおける中央位置において主表面２０ａに垂直な方向（法線Ｎ方向）をθ＝０°，半導体発光素子２０の主表面２０ａから直接的に光取出し窓１５を介して放射される光の最大放射角が例えばθ＝５４°であるとき、半導体発光素子２０の主表面２０ａから放出される光のうち、θ＝５４〜９０°の範囲内に含まれる光、および、半導体発光素子２０の側面２０ｃから放射される光を反射して光取出し窓１５から取り出すことができるものとして構成されている。

反射鏡４２を形成する金属材料としては、例えばアルミニウム、銅、銀、金、あるいはこれらの金属の合金等を例示することができ、これらのうちでも、波長２００〜３００ｎｍの深紫外領域の光（以下、「ＤＵＶ光」という。）について高い反射率、具体的には、波長２４０ｎｍのＤＵＶ光について９０％以上の反射率が得られることから、アルミニウムまたはその合金が用いられることが好ましい。

反射鏡４２の反射面Ｒには、ＤＵＶ光に対して透光性を有する誘電体からなる保護層（図示せず）が形成されていることが好ましい。このような構成とされていることにより、電子衝突や表面酸化などによる反射鏡４２の本来の機能が低下することを抑制することができる。
保護層は、例えばＳｉＯ₂ 、ＳｉＯ、ＭｇＦ₂ などよりなる単層の保護膜、あるいは、複数の保護膜を積層した多層膜により構成することができる。

また、反射鏡４２には、半導体発光素子２０を支持する高熱伝導部材１６に対して負の電位状態となるよう電圧を印加する電圧印加手段が接続された構成とされていることが好ましい。この例においては、反射鏡４２および半導体発光素子２０を支持する高熱伝導部材１６の両者は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図１において一点鎖線で示す。）を介して、真空容器１０の外部に設けられた、電圧印加手段としての反射鏡用電源Ｖｍに電気的に接続されている。ここに、反射鏡用電源Ｖｍによって反射鏡４２と高熱伝導部材１６との間に印加される電圧は、例えば−５〜−８ｋＶであることが好ましい。当該電圧が過小である場合には、半導体発光素子２０の主表面２０ａへの電子線の集束性能が低下し、半導体発光素子２０への電子到達率および半導体発光素子２０の励起効率が減少し、発光強度も低下する。一方、当該電圧が過大である場合には、反射鏡４２と高熱伝導部材１６との間の電位差あるいは電界強度が増大し、絶縁破壊あるいは異常放電が発生する可能性があり、反射鏡４２と高熱伝導部材１６との距離を拡げる必要があり、デバイスの小型化には不利になる。

上記の電子線励起型光源装置においては、電子線源３０と引き出し電極３５との間に電圧が電子線制御用電源Ｖｇによって印加されると、当該電子線源３０における電子線放出部３２から引き出し電極３５に向かって電子が放出され、この電子は、電子加速手段Ｖａによって半導体発光素子２０と電子線源３０との間に印加された加速電圧によって、半導体発光素子２０に向かって加速されて電子線ｅ^- が形成される（図１において破線で示す。）。この電子線ｅ^- の軌道は、加速電圧および電界制御用電源Ｖｅにより反射鏡４２と電界制御用電極５０との間に印加される電圧によって、半導体発光素子２０における主表面２０ａに向かって指向されると共に、図４に示すように、反射鏡用電源Ｖｍによって負の電圧が反射鏡４２に印加されて例えば接地電位状態（ＧＮＤ）に維持された高熱伝導部材１６に対して負の電位状態とされることにより形成される負の電界Ｅｍの作用によって、半導体発光素子２０における主表面２０ａに向かって集束され、その結果、当該電子線ｅ^- は、反射鏡４２に衝突することなく半導体発光素子２０の主表面２０ａすなわち活性層２５の表面に入射される。
そして、半導体発光素子２０においては、図５に示すように、電子線ｅ^- が入射されることによって活性層２５の電子が励起され（図５におけるドットは発光点を示す。）、当該半導体発光素子２０における電子線ｅ^- が入射された主表面２０ａからＤＵＶ光を含む光が放射されてその一部が真空容器１０における光取出し窓１５を介して直接的に当該真空容器１０の外部に出射されると共に（ＤＵＶ直接光）、主表面２０ａから放射されるＤＵＶ光を含む光の他の一部、および、各層の境界面において透過あるいは反射して多重反射を繰り返して半導体発光素子２０の側面２０ｃから放出されるＤＵＶ光を含む光が反射鏡４２によって反射されて光取出し窓１５を介して当該真空容器１０の外部に出射される（ＤＵＶ反射光）。なお、半導体発光素子２０の内部において多重反射を繰り返す光の一部は熱エネルギーに変換されることとなるが、当該熱エネルギーは、電子線励起の際に発熱する半導体発光素子２０の熱と共に高熱伝導部材１６を介して排熱される。

而して、上記の電子線励起型光源装置によれば、凹面状の反射面Ｒを有する反射鏡４２を具えた反射構造体４０が、反射鏡４２における上端部が電界制御用電極５０による電界の作用によって反発される電子軌道を遮ることのないよう半導体発光素子２０の主表面２０ａのレベル位置よりも高いレベル位置に位置されると共に反射鏡４２における下端部が半導体発光素子２０の主表面２０ａのレベル位置よりも低いレベル位置に位置される状態で、半導体発光素子２０の周囲を取り囲むよう配置された構成とされていることにより、例えば１μｍ程度の厚みの半導体発光素子２０の側面２０ｃから放射されるＤＵＶ光を含む従来利用できなかった光が光取出し窓１５を介して出射されるので、光取出し効率を向上させることができて高い出力を得ることができる。具体的には、反射鏡４２の上端部が半導体発光素子２０の主表面２０ａにおける中央位置（形状中心位置）と電界制御用電極５０の上端内縁位置とを結ぶ直線Ｌ１上に位置されると共に反射鏡４２の下端部が半導体発光素子２０の主表面２０ａの上端外縁と高熱伝導部材１６の上端外縁とを結ぶ直線Ｌ２上に位置された状態で配置された構成とされていることにより、ＤＵＶ直接光の最大放射角の大きさと、ＤＵＶ反射光の最小放射角の大きさを一致させることができるので、半導体発光素子の主表面２０ａから放射される光および半導体発光素子２０の側面２０ｃから放射される光を光取出し窓１５を介して出射させることができて、一層高い出力を得ることができる。
また、半導体発光素子２０の裏面２０ｂから高熱導電部材１６を介して排熱して半導体発光素子２０を効率よく冷却することができるので、半導体発光素子２０の発光効率が低下することがなくて高い出力の光が維持される。
さらにまた、反射鏡４２の反射面Ｒの形状を適宜変更することにより、半導体発光素子２０から放射されるＤＵＶ光を集光して出射する構成のものとすることも可能である。

さらにまた、金属膜により形成されてなる反射鏡４２に、高熱伝導部材１６に対して負の電位状態となるよう電圧を印加する反射鏡用電源Ｖｍが接続された構成とされていることにより、半導体発光素子２０の励起効率を向上させることができて高い発光強度を得ることができる。すなわち、電界制御用電極５０のみによって電子線の軌道を制御する構成のものであれば、図６に示すように、電子線源３０から放出された電子線ｅ^- の軌道は、電界制御用電極５０付近に形成される負電界の作用によって半導体発光素子２０における主表面２０ａに向かって指向されることとなるが、電子線ｅ^- の拡がりによって半導体発光素子２０の主表面２０ａへの電子到達率が低下し、半導体発光素子２０の励起効率が低下することとなる。
然るに、反射鏡４２に適正な大きさに制御された負電圧が印加される構成とされていることにより、上記の電子線励起型光源装置によれば、反射鏡４２の反射面Ｒ付近に形成される負の電界Ｅｍの作用によって、今まで半導体発光素子２０に到達していなかった電子線を半導体発光素子２０の主表面２０ａに向かって集束させて半導体発光素子２０の主表面２０ａ以外の箇所、例えば高熱伝導部材１６への電子線の入射を確実に防止することができるので、半導体発光素子２０への電子到達率を向上させることができ、これにより、半導体発光素子２０の励起効率を向上させることができて高い発光強度を得ることができる。さらに、半導体発光素子２０に電子が入射した際に放出される二次電子が反射鏡４２に入射されることを回避することができるので、反射鏡４２の帯電やスパッタリングによる表面損傷の発生による反射鏡４２の本来の機能が低下することを抑制することができる。

図１乃至図３に示す構成に従って、本発明に係る電子線励起型光源装置を作製した。この電子線励起型光源装置の具体的な仕様は次に示す通りである。
〔真空容器（１０）〕
容器基体（１１）：外形の寸法；４０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍ、肉厚；２ｍｍ、開口；３６ｍｍ×３６ｍｍ、
光取出し窓（１５）：４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍ、
〔半導体発光素子（２０）〕
主表面（２０ａ）のサイズ；３ｍｍ角、厚み；０．５ｍｍ、
〔電子線源（３０）〕
支持基板（３１）：外径；２５ｍｍ、内径；１９ｍｍ、厚み；０．１ｍｍ、
電子線放出部（３２）：外径；２４ｍｍ、内径；２０ｍｍ、厚み；０．０２ｍｍ、電子線が放射される面の面積；１３８ｍｍ² 、
〔電界制御用電極（５０）〕
胴部（５１）：内径；３４ｍｍ、軸方向の長さ；１２ｍｍ、肉厚；０．３ｍｍ
テーパ部（５２）：先端における内径；２８ｍｍ、軸方向の長さ；３ｍｍ、胴部に対する傾き；４５°、肉厚；０．３ｍｍ、
〔チャージアップ防止部材（５５）〕
線材の線径；φ０．１２ｍｍ，配設ピッチ（隣接する線材の離間距離）；０．４５ｍｍ、長さ；４０ｍｍ、
〔反射構造体（４０）〕
反射鏡（４２）：材質；アルミニウム蒸着膜、下端部の円周半径；４．５ｍｍ、上端部の円周半径；８ｍｍ、
反射鏡の下端部のレベル位置と半導体発光素子の主表面のレベル位置との差；１．５ｍｍ、反射鏡の上端部のレベル位置と半導体発光素子の主表面のレベル位置との差；５．８ｍｍ、高熱伝導部材（１６）の外周縁位置と反射構造体の内周縁位置との離間距離；２ｍｍ、反射構造体の外周縁位置と支持部材（３４）の幅中心位置との離間距離；４ｍｍ、

上記の電子線励起型光源装置を下記の動作条件で動作させたところ、半導体発光素子への電子到達率が実質的に１００％程度であり、反射鏡を有さないことの他は同一の構成を有する比較用の光源装置に比して出力が２．２倍程度向上することが確認された。
一方、比較用の光源装置における半導体発光素子への電子到達率は７０％程度であることが確認された。この理由は、電子線軌道の拡がりによって電子線が半導体発光素子の主表面以外の箇所、例えば高熱伝導部材に入射されるためであると考えられる。そして、比較用の光源装置においては、例えば半導体発光素子の主表面のレベル位置に対して電子線源のレベル位置を変化させても、電子線の拡がりは抑制することができず、半導体発光素子への電子到達率は向上しないことが確認された。

〔動作条件〕
電子加速手段（Ｖａ）によって高熱伝導部材（ＧＮＤ）と電子線源との間に印加される加速電圧：−８ｋＶ、
電界制御用電源（Ｖｅ）によって電界制御用電極に印加される電圧：−９ｋＶ、
チャージアップ防止部材用電源（Ｖｗ）によって高熱伝導部材（ＧＮＤ）とチャージアップ防止部材との間に印加される電圧：−１ｋＶ、
電子線制御用電源（Ｖｇ）によって電子線源と引き出し電極との間に印加される電圧：−５ｋＶ、
反射鏡用電源（Ｖｍ）によって反射鏡と高熱伝導部材との間に印加される電圧：−５ｋＶ、
反射鏡の反射面付近に形成される負の電界：平均で２．５ｋＶ／ｍｍ、

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、電子線源の配置位置は、半導体発光素子の周辺であって、当該半導体発光素子の主表面に電子線を入射することができる位置であれば、特に限定されるものではなく、例えば図７に示すように、電子線源３０における面上の電子線放出部３２が半導体発光素子２０の主表面２０ａのレベル位置より低いレベル位置に位置されるよう配置された構成とされていてもよい。

また、本発明の電子線励起型光源装置においては、電界制御用電極を有する構成とされている必要はない。このような場合には、例えば図８に示すように、矩形の支持基板３１上に矩形の面状の電子線放出部３２が形成されてなる複数（図示の例では２つ）の電子線源３０が、各支持基板３１が半導体発光素子２０に対して反射構造体４０より外方の位置に配置された円筒体よりなる支持部材３４Ａの内面における半導体発光素子２０を挟んだ位置において固定されて電子線放出部３２が半導体発光素子２０の主表面２０ａに向くよう配置された構成とすることができる。このような構成のものにおいては、電子線源３０から放出される電子線（図８において破線で示す。）ｅ^- は、反射鏡用電源Ｖｍによって負の電圧が印加されることにより形成される負の電界の作用によって、反射鏡４２に入射させること（衝突すること）なく半導体発光素子２０の主表面２０ａに入射させることができて、図１に示す構成のものと同様の効果を得ることができる。

さらにまた、電子線源は、面状の電子線放出部を有するものであれば、その具体的な形状は特に限定されず、例えば図９に示すように、それぞれ支持基板上に面状の電子線放出部３２が形成されてなる複数の電子線源３０が半導体発光素子２０を中心とする円環に沿って周方向に離間して配置されてなる構成とされていてもよい。

さらにまた、反射鏡における反射面の形状は特に限定されるものではなく、球面、楕円面、放物面のいずれでもよく、また、反射鏡は、半導体発光素子の周囲の全周を取り囲むよう設けられた構成とされている必要はなく、半導体発光素子の側面の少なくとも一部の領域から放射される光を反射する構成とされていれば、出力向上効果を得ることができ、このような構成のものにおいては、平面鏡を用いることもできる。
また、反射構造体は、金属製の基体の表面が研磨によって鏡面処理されて反射鏡が形成されてなるものであってもよい。

１０ 真空容器
１１ 容器基体
１５ 光取出し窓
１６ 高熱伝導部材
２０ 半導体発光素子
２０ａ 表面（主表面）
２０ｂ 裏面
２０ｃ 側面
２１ 基板
２２ バッファ層
２５ 活性層
３０ 電子線源
３１ 支持基板
３２ 電子線放出部
３４，３４Ａ 支持部材
３５ 引き出し電極
４０ 反射構造体
４１ 支持体
４２ 反射鏡
Ｒ 反射面
５０ 電界制御用電極
５１ 胴部
５２ テーパ部
５５ チャージアップ防止部材
Ｖａ 電子加速手段
Ｖｅ 電界制御用電源
Ｖｗ チャージアップ防止部材用電源
Ｖｇ 電子線制御用電源
Ｖｍ 反射鏡用電源
Ｅｍ 反射面付近に形成される電界
ｅ^- 電子線

Claims (4)

1. 光取出し窓を有する真空容器を具え、当該真空容器の内部に、電子線源と、紫外光を放射する半導体発光素子とを配置し、
   当該電子線源から放射される電子線が入射する当該半導体発光素子の表面と前記光取出し窓とが離間して対向するよう配置されてなる電子線励起型光源装置において、
   前記半導体発光素子の側面から放射される光を前記光取出し窓に向けて反射する反射鏡が設けられていることを特徴とする電子線励起型光源装置。
2. 前記反射鏡が金属よりなることを特徴とする請求項１に記載の電子線励起型光源装置。
3. 前記半導体発光素子は、前記表面に対向する裏面が金属よりなる高熱伝導部材によって支持されており、
   前記反射鏡には、当該高熱伝導部材に対して負の電位状態となるよう電圧を印加する電圧印加手段が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電子線励起型光源装置。
4. 前記反射鏡における反射面には、前記半導体発光素子から放射される紫外光に対して透光性を有する誘電体からなる保護層が形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電子線励起型光源装置。

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