JP2013140879A

JP2013140879A - 電子線励起型光源装置

Info

Publication number: JP2013140879A
Application number: JP2012000522A
Authority: JP
Inventors: Ken Kataoka; 研片岡; Masanori Yamaguchi; 真典山口; Takeshi Maeso; 剛前岨
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2013-07-18

Abstract

【課題】半導体発光素子に対して高い効率で電子線を入射させ、かつ当該半導体発光素子から高い効率で光を取り出すことができ、従って高い発光効率の得られる電子線励起型光源装置を提供すること。
【解決手段】電子線励起型光源装置は、真空容器内に、電子線源と、当該電子線源からの電子線によって励起されて光を放射する半導体発光素子とが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は、複数の凸部が形成されてなる凹凸状表面を有しており、当該凹凸状表面を形成する複数の凸部の各々には、その表面の表層に、当該表面に沿って量子井戸構造が形成されており、当該凹凸状表面に前記電子線源からの電子線が入射されることによって、当該凹凸状表面から光が放射されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に対して電子線を照射することによって当該半導体発光素子を発光させる構成の電子線励起型光源装置に関し、更に詳しくは、特定の構造を有する半導体発光素子を備えてなる電子線励起型光源装置に関する。

従来、電子線源と、当該電子線源から放射される電子線によって励起されて光を放射する半導体発光素子とを備え、電子線源から放出された電子が、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る構成の電子線励起型光源装置が用いられている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
具体的に、特許文献１には、ガラス製の真空容器内に電子線源と半導体発光素子とを備え、半導体発光素子において、電子線源からの電子線が照射された一表面から光が放射される構成の装置が開示されている。
また、特許文献２には、ガラス製の真空容器内に、電子線源と半導体発光素子とが対向するように設けられており、半導体発光素子において、電子線源と対向する一表面に電子線が照射され、その一表面以外の表面から光が放射される構成の装置が開示されている。

近年、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おり、具体的には、数Ｗクラスの高い出力が得られる小型のものが求められている。
このような要請に応じるべく、高出力化および小型化を進めていく過程において、下記のような問題があることが明らかとなった。
すなわち、半導体発光素子が、通常、その表面形状が平坦なものであることから、半導体発光素子の内部において電子線が入射されて励起が生じることによって得られた光の一部が半導体発光素子の表面において反射されてしまい、それに起因して光を効率的に取り出す、すなわち半導体発光素子から外部に効率的に光を放射させることができない。しかも、半導体発光素子の表面において光の反射が生じると、その反射された光を半導体素子内部で吸収することによって半導体発光素子が高い温度に発熱し、これにより半導体発光素子の発光効率が低下してしまうおそれがある。
また、出力の高い光を得るためには、電子線の電流量を増加させることが考えられるが、電子線の電流量を増加させた場合には、半導体発光素子における電流密度が大きくなることに伴って効率ドループ現象（ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＤｒｏｏｐ）が生じ、その結果、出力の高い光を得ることができなくなるおそれがある。
更に、特に特許文献２に示されているように、半導体発光素子の一表面が光出射面として利用され、その他の表面が電子線の入射面として利用される構成の電子線励起型光源装置においては、半導体発光素子のいずれの表面も光出射面あるいは電子線の入射面として利用されるため、電子線が照射されることなどによって発熱する半導体発光素子をその表面のいずれからも冷却することができず、従って、当該半導体発光素子を効率よく冷却することが困難である。その結果、半導体発光素子が高い温度に発熱し、これにより、半導体発光素子の発光効率が低下して出力の高い光が放射されず、また、発熱によって半導体発光素子に早期に故障が生じるおそれがある。

このような問題を解決するためには、電子線源からの電子線を半導体発光素子の一表面に入射し、当該半導体発光素子の一表面から光を取り出す構成において、半導体発光素子における光出射面および電子線入射面として利用される一表面を凹凸状とすることが考えられる。
ここに、ＬＥＤ素子においては、光取り出し効率を向上させるために、光出射面として利用される一表面を凹凸状とすることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、電子線励起型光源装置を構成する半導体発光素子において、光出射面および電子線入射面として利用される一表面を凹凸状に加工する手法としては、その表層に量子井戸構造が形成された平坦な表面に対して表面加工処理を施す方法、またはその表層に量子井戸構造が形成された平坦な表面上に更に凹凸を有する層を積層する方法などが挙げられるが、このような加工方法においては、下記のような問題がある。
すなわち、表面加工処理を施した場合には、表面の表層に形成されている量子井戸構造に欠陥が生じるおそれがある。
一方、凹凸を有する層を積層した場合には、光取り出し効率を向上させることはできるものの、量子井戸構造が形成されている領域が表面から大きく離間したものとなって当該領域に効率的に電子線を入射させることができなくなり、それに起因して発光効率が低下するおそれがある。

特開平０９−２１４０２７号公報特許第３６６７１８８号公報特開２０００−１９６１５２号公報

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、半導体発光素子に対して高い効率で電子線を入射させ、かつ当該半導体発光素子から高い効率で光を取り出すことができ、従って高い発光効率の得られ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、真空容器内に、電子線源と、当該電子線源からの電子線によって励起されて光を放射する半導体発光素子とが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は、複数の凸部が形成されてなる凹凸状表面を有しており、当該凹凸状表面を形成する複数の凸部の各々には、その表面の表層に、当該表面に沿って量子井戸構造が形成されており、当該凹凸状表面に前記電子線源からの電子線が入射されることによって、当該凹凸状表面から光が放射されることを特徴とする。

本発明の電子線励起型光源装置においては、前記電子線源は、面状の電子線放出部を有しており、前記半導体発光素子の周辺に配置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おいては、半導体発光素子における電子線源からの電子線が入射されると共に光が放射される一表面が、凸部が複数形成されてなる凹凸状表面であることから、電子線が入射されて励起が生じることによって得られる光を効率的に放射させることができ、しかも、当該凹凸状表面を形成する複数の凸部の各々には、その表面の表層に、当該表面に沿って量子井戸構造が形成されていることから、電子線源からの電子線を複数の凸部の表面の各々において効率的に入射させることができ、また、凸部の表面において電子線の反射が生じた場合であってもその反射光を他の凸部において入射させることができるため、電子線を高い効率で半導体発光素子内に入射させることができる。
従って、本発明の電子線励起型光源装置によれば、半導体発光素子に対して高い効率で電子線を入射させ、かつ当該半導体発光素子から高い効率で光を取り出すことができるため、高い発光効率を得ることができる。

また、本発明の電子線励起型光源装置においては、半導体発光素子の一表面が凹凸状表面であることによって当該一表面の表面積が大きくされていることから、電子線の電流量を増加させた場合であっても、半導体発光素子における電流密度が過剰に大きくなることが抑制されるため、効率ドループ現象による発光効率の低下を抑制することができる。そのため、電子線の電流量を増加させることによって高出力化を図ることができる。

本発明の電子線励起型光源装置においては、面状の電子線放出部を有する電子線源を半導体発光素子の周辺に配置することにより、電子線源からの電子線を、半導体発光素子の一表面における量子井戸構造を有する領域の全域に対して確実に入射させることができるため、より一層高い発光効率が得られる。

本発明の電子線励起型光源装置の構成の一例を示す説明図であり、（イ）は側面断面図、（ロ）は光透過窓の上方から見た状態を示す平面図である。図１の電子線励起型光源装置を構成する半導体発光素子を示す説明用斜視図である。図２の半導体発光素子の断面を示す説明図であり、（イ）は全体の断面を示す説明用断面図であり、（ロ）は要部の断面を示す説明用断面図である。図２の半導体発光素子の製造過程を示す説明図であり、（イ）はその一面に溝が形成された状態の基板を示す説明図であり、（ロ）は基板の一面にバッファ層を構成するバッファ層下部分が形成された状態を示す説明図であり、（ハ）は基板の一面に積層されたバッファ層下部分上に当該バッファ層下部分と共にバッファ層を構成するバッファ層上部分が形成された状態、すなわち基板の一面にバッファ層が形成された状態を示す説明図である。本発明の電子線励起型光源装置における半導体発光素子の構成の他の例を示す説明用断面図である。図５の半導体発光素子の製造過程を示す説明図であり、（イ）は基板の一面にバッファ層を構成するバッファ層下部分を得るためのバッファ層下部分材料層が形成された状態を示す説明図であり、（ロ）は基板の一面に積層されたバッファ層下部分材料層の一面に溝が形成された状態、すなわち基板の一面にバッファ層を構成するバッファ層下部分が形成された状態を示す説明図であり、（ハ）は基板の一面に積層されたバッファ層下部分上に当該バッファ層下部分と共にバッファ層を構成するバッファ層上部分が形成された状態、すなわち基板の一面にバッファ層が形成された状態を示す説明図である。本発明の電子線励起型光源装置における半導体発光素子の構成の更に他の例を示す説明図であり、（イ）は説明用斜視図、（ロ）は説明用断面図である。図７の半導体発光素子の製造過程を示す説明図であり、（イ）は基板の一面にバッファ層を構成するバッファ層下部分が形成された状態を示す説明図であり、（ロ）は基板の一面に積層されたバッファ層部分の一面に被覆させるためのＳｉＯ₂マスクの構成を示す説明図であり、（ハ−１）は基板の一面に積層されたバッファ層下部分およびＳｉＯ₂マスクよりなるバッファ層中間部分上に当該バッファ層下部分およびバッファ層中間部分と共にバッファ層を構成するバッファ層上部分が形成された状態、すなわち基板の一面にバッファ層が形成された状態を示す説明用平面図であり、（ハ−２）は基板の一面にバッファ層が形成された状態を示す説明用断面図である。本発明の電子線励起型光源装置の構成の他の例を示す説明図であり、（イ）は側面断面図、（ロ）は光透過窓の上方から見た状態を示す平面図である。本発明の電子線励起型光源装置の構成の更に他の例を示す説明図であり、（イ）は側面断面図、（ロ）は光透過窓の上方から見た状態を示す平面図である。実験例１において得られた電流密度と相対光強度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の電子線励起型光源装置の構成の一例を示す説明図であり、（イ）は側面断面図、（ロ）は光透過窓の上方から見た状態を示す平面図であり、図２は、図１の電子線励起型光源装置を構成する半導体発光素子を示す説明用斜視図であり、図３は、図２の半導体発光素子の断面を示す説明図であり、（イ）は全体の断面を示す説明用断面図であり、（ロ）は要部の断面を示す説明用断面図である。
この電子線励起型光源装置１０は、密閉された外形が直方体状の真空容器１１を備え、この真空容器１１は、一面（図１（イ）において上面）に開口を有する容器本体１２と、この容器本体１２の開口に配置されて当該容器本体１２に気密に封着された光透過窓１５とによって構成されている。

真空容器１１内には、半導体発光素子２０が、その一表面２０ａが光透過窓１５に離間して対向するよう、容器本体１２を構成する底壁１３に固定されて配置されており、この半導体発光素子２０の周辺、具体的には、容器本体１２における互いに対向する一対の側壁１４ａ，１４ｃの各々に、支持基板４１上に面状の電子線放出部４２が形成されてなる電子線源４０が、当該電子線放出部４２における電子線が放射される表面が当該一対の側壁１４ａ，１４ｃに平行となる姿勢で固定されて配置されている。半導体発光素子２０は、真空容器１１の内部から外部に引き出された導電線を介して、真空容器１１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用電源（図示せず）の正極側に電気的に接続され、電子線源４０は、真空容器１１の内部から外部に引き出された導電線を介して、電子加速用電源（図示せず）の負極側に電気的に接続されている。
この図の例においては、側壁１４ａに配設された電子線源４０と、側壁１４ｃに配設された電子線源４０とは、電子線放出部４２における電子線が放射される表面が互いに対向するように配置されている。

真空容器１１における容器本体１２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物を用いることができる。
また、真空容器１１における光透過窓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１１の内部の圧力は、例えば１０^-4〜１０^-6Ｐａである。
真空容器１１の寸法の一例を挙げると、容器本体１２の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍ、容器本体１２の肉厚が２ｍｍ、容器本体１２の開口が３６ｍｍ×３６ｍｍで、光透過窓１５の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍである。

半導体発光素子２０は、図２および図３に示すように、真空容器１１における光透過窓１５に対向する一表面２０ａが、テーパー面３１を有する凸部３０が複数形成されてなることによって凹凸状を有する凹凸状表面である。
この半導体発光素子２０の一表面２０ａにおける凹凸、すなわち凹凸状表面を形成する複数の凸部３０は、各々、２つのテーパー面３１を有しており、電子線源４０が配設されている一対の側壁１４ａ，１４ｃに垂直な方向（図１（イ）における左右方向であって図３における紙面に垂直な方向）に伸び、当該一対の側壁１４ａ，１４ｃに平行な方向（図１（イ）における紙面に垂直な方向）の断面形状が三角形状を有するものである。また、これらの複数の凸部３０は、互いに隣接する凸部３０の先端３０ａが異なる位置レベルに位置するよう、具体的には凸部３０の先端３０ａの光透過窓１５との離間距離が１つおきに同等となるように並列されている。

また、半導体発光素子２０においては、凹凸状表面を形成する複数の凸部３０の各々には、その表面の表層、具体的にはテーパー面３１の表層に、当該表面（テーパー面３１）に沿って単一量子井戸構造または多重量子井戸構造が形成、具体的には、凸部３０の表面（テーパー面３１）に対して垂直な方向に量子井戸層２８および障壁層２９が積層された状態で量子井戸構造が形成されており、このような量子井戸構造を有する活性層２７の下方には、例えばＡｌＮよりなるバッファ層２３および例えばサファイアよりなる基板２１がこの順に位置されている。すなわち、半導体発光素子２０は、基板２１上に、バッファー層２３と、活性層２７とがこの順に積層されて形成されている。

具体的に、半導体発光素子２０においては、基板２１の一面（図３（イ）における上面）には、電子線源４０が配設されている一対の側壁１４ａ，１４ｃに垂直な方向（図３（イ）における紙面に垂直な方向）に伸び、幅方向（図３（イ）における左右方向）の断面形状が矩形状の溝２２が、当該溝２２の溝幅と同一の離間距離で等間隔に複数並列に形成されている。そして、この基板２１における溝２２の底部２２ａおよび互いに隣接する溝２２の間に位置する溝間部２１ａには、各々、溝２２に沿って伸びるよう、２つのテーパー面２５（図４（ハ）参照）を有し、当該溝２２の幅方向の断面形状が五角形状（具体的には、凸部３０を構成するバッファ層上部分２４ｂ（図４（ハ）参照）の断面形状が三角形状であって当該バッファ層上部分２４ｂの下方に位置するバッファ層下部分２４ａ（図４（ハ）参照）の断面形状が矩形状）のバッファ層２３が形成されており、また、このバッファ層２３におけるテーパー面２５上には、その全面にわたって当該テーパー面２５に沿うように活性層２７が形成されている。
このように、半導体発光素子２０においては、基板２１の一面に溝２２が形成されており、この基板２１における溝２２の底部２２ａおよび溝間部２１ａの各々に同一の厚みを有するバッファ層下部分２４ａおよび凸部３０を構成するバッファ層上部分２４ｂが積層されていることにより、互いに隣接する凸部３０の先端３０ａが異なる位置レベルとされている。
この図の例において、基板２１の厚みは、例えば１０〜１０００μｍであり、また基板２１に形成されている溝２２は、例えば溝深さが１μｍ、溝幅が３μｍ、互いに隣接する溝２２の離間距離、すなわち溝間部２１ａの幅が３μｍである。
また、バッファ層２３の厚みは、例えば凸部３０を構成するバッファ層上部分２４ｂの厚み（凸部３０の高さ）が２．５μｍ、バッファ層下部分２４ａの厚みが６００ｎｍである。
また、半導体発光素子２０における活性層２７と電子線源４０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における電子線が入射されると共に光が放射される一表面２０ａと光透過窓１５との離間距離、すなわち半導体発光素子２０における凸部３０の先端３０ａと光透過窓１５の内面との離間距離は、例えば３〜２５ｍｍである。

活性層２７は、それぞれＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（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２８と単一または複数の障壁層２９とが、バッファ層２３上にこの順で交互に積層されて構成されている。すなわち、バッファ層２３には、当該バッファ層２３におけるテーパー面２５上に、当該テーパー面２５に対して垂直な方向に、量子井戸層２８と障壁層２９とがこの順で交互に積層されることによって量子井戸構造が形成され、よって活性層２７が形成されている。
量子井戸層２８の各々の厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。また、障壁層２９はその禁制帯幅が量子井戸層２８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２８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２７を構成する量子井戸層２８の周期は、量子井戸層２８、障壁層２９および活性層２７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。

このような構成の半導体発光素子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、先ず、図４（イ）に示すように、サファイアよりなる基板材料の（０００１）面上に、フォトリソグラフィー法およびリアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ法）によって複数の溝２２を所要の間隔で並列に形成することによって基板２１を得る。
次いで、図４（ロ）に示すように、基板２１における複数の溝２２が形成されてなる一面に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、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て気相成長させることにより、基板２１の溝２２の底部２２ａおよび溝間部２１ａの各々に、所要の厚みを有するＡｌＮからなる直方体形状のバッファ層下部分２４ａを形成する。その後、図４（ハ）に示すように、処理温度、Ｖ／ＩＩＩ比および処理圧力などの気相成長条件を調整することにより、バッファ層下部分２４ａ上に、ＡｌＮからなる、２つのテーパー面２５を有する所要の形状のバッファ層上部分２４ｂを形成し、以て、バッファ層下部分２４ａとバッファ層上部分２４ｂとからなるバッファ層２３を得る。
そして、基板２１上に形成されたバッファ層２３におけるテーパー面２５上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、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およびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることにより、所要の厚みを有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（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２７を形成することにより、図２および図３に示すような半導体発光素子２０を得ることができる。
ここに、ＩｎＡｌＧａＮよりなる量子井戸層２８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２８を形成する場合よりも低く設定すればよい。

電子線源４０における電子線放出部４２は、多数のカーボンナノチューブが例えば鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料よりなる支持基板４１上に支持されることによって形成されており、電子線源４０における支持基板４１は、板状のベース４３上に固定されている。また、電子線源４０における電子線放出部４２の上方には、当該電子線放出部４２から電子を放出するための網状の引き出し電極４５が当該電子線放出部４２に離間して対向するよう配置され、この引き出し電極４５は、電極保持部材４６を介してベース４３に固定されている。支持基板４１および引き出し電極４５は、真空容器１１の内部から外部に引き出された導電線（図示省略）を介して、真空容器１１の外部に設けられた電子線放出用電源に、引き出し電極４５が正極、支持基板４１が負極となるよう電気的に接続されている。
電子線源４０の寸法の一例を挙げると、支持基板４１の外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ、電子線放出部４２の外径が２４ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、電子線放出部４２における電子線が放射される面の面積が１３８ｍｍ²である。

支持基板４１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４１上にカーボンナノチューブよりなる電子線放出部４２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４１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４１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４１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４５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。

このような構成の電子線励起型光源装置１０においては、電子線源４０と引き出し電極４５との間に電圧が印加されると、当該電子線源４０における電子線放出部４２から引き出し電極４５に向かって電子が放出され、この電子は、半導体発光素子２０と電子線源４０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が形成され、その電子線が半導体発光素子２０の一表面２０ａすなわち活性層２７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、電子線が入射されることによって活性層２７の電子が励起され、これにより、当該半導体発光素子２０における電子線が入射された一表面２０ａから紫外線などの光が放射され、真空容器１１における光透過窓１５を介して当該真空容器１１の外部に出射される。

以上において、電子線放出用電源によって電子線源４０と引き出し電極４５との間に印加される電圧は、例えば１〜５ｋＶである。
また、電子加速用電源によって印加される電子線の加速電圧は、例えば６〜１２ｋＶである。

而して、電子線励起型光源１０においては、半導体発光素子２０における電子線源４０からの電子線が入射されると共に光が放射される一表面２０ａが、テーパー面３１を有する凸部３０が複数形成されてなる凹凸状表面であることから、電子線が入射されて励起が生じることによって得られた光を効率的に光で放射させることができ、しかも、当該凹凸状表面を形成する複数の凸部３０の各々には、その表面（テーパー面３１）の表層に、当該表面（テーパー面３１）に沿って量子井戸構造が形成されていることから、電子線源４０からの電子線を複数の凸部３０の表面（テーパー面３１）の各々において入射させることができ、また、凸部３０の表面（テーパー面３１）において電子線の反射が生じた場合であってもその反射電子を他の凸３０部において入射させることができるため、電子線を高い効率で半導体発光素子内に入射させることができる。
従って、電子線励起型光源装置１０によれば、半導体発光素子２０に対して効率的に電子線を入射させ、かつ当該半導体発光素子２０から高い効率で光を取り出すことができるため、高い発光効率を得ることができる。

また、電子線励起型光源装置１０においては、半導体発光素子２０の一表面２０ａが凹凸状表面であり、当該一表面２０ａの表面積が大きくなることから、電子線の電流量を増加させた場合であっても、半導体発光素子２０における電流密度が過剰に大きくなることが抑制されるため、効率ドループ現象が生じることを抑制することができる。そのため、電子線の電流量を増加させることによって高出力化を図ることができる。

また、電子線励起型光源装置１０においては、半導体発光素子２０の一表面２０ａの凹凸を形成する複数の凸部３０が一方向（図１（イ）における左右方向）に伸びるものであるが、面状の電子線放出部４２を有する電子線源４０を、当該電子線放出部４２における電子線が放射される表面が凸部３０の伸びる方向と垂直な状態となるように半導体発光素子２０の周辺に配置することにより、複数の凸部３０の各々の表面（テーパー面３１）全面に対して、他の凸部３０に阻害されることなく電子線源４０からの電子線を入射させることができる、すなわち電子線源４０からの電子線を半導体発光素子２０の一表面２０ａにおける量子井戸構造を有する領域の全域に対して確実に入射させることができるため、より一層高い発光効率が得られる。

本発明の光源ユニットにおいては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、半導体発光素子は、凸部が複数形成された凹凸状表面を有しており、当該凹凸状表面を形成する複数の凸部の各々の表面の表層に、当該表面に沿って量子井戸構造が形成されており、当該凹凸状表面に電子線源からの電子線が入射されると共に光が放射されるものであれば、図２および図３に係る構成に限定されず、種々の構成を有するものであってもよい。
以下、本発明の電子線励起型光源装置を構成する半導体発光素子のその他の具体例について、図面を用いて説明する。

図５は、本発明の電子線励起型光源装置における半導体発光素子の構成の他の例を示す説明用断面図である。
この半導体発光素子５０は、バッファ層５３が積層される基板５１の一面が平坦、すなわち基板５１の一面に溝が形成されておらず、また、バッファ層５３が部分的に厚みの異なる形状、具体的にはバッファ層５３において、凸部３０を構成するバッファ層上部分５５（図６（ハ）参照）の下方に位置するバッファ層下部分５４（図６（ハ）参照）が部分的に厚みが異なる形状とされていることにより、互いに隣接する凸部３０の先端３０ａが異なる位置レベルとされていること以外は図２および図３に係る半導体発光素子２０と同様の構成を有するものである。

このような構成の半導体発光素子５０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、先ず、図６（イ）に示すように、サファイアよりなる基板５１の（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、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て気相成長させることにより、所要の厚み（具体的には、例えば３〜４μｍ）を有するＡｌＮからなるバッファ層下部分用材料層５７を形成する。その後、図６（ロ）に示すように、基板５１上のバッファ層下部分用材料層５７の一面（図６（ロ）における上面）に、フォトリソグラフィー法およびリアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ法）によって所要の寸法（具体的には、例えば溝幅３μｍ、溝深さ１μｍ）の溝５８を複数形成することにより、基板５１の一面上にバッファ層下部分５４を得る。バッファ層下部分５４において、溝５８は、当該バッファ層下部分５４における互いに対向する一対の縁部５４ａ，５４ｂに沿うように伸び、幅方向（図６（ロ）における左右方向）の断面形状が矩形状のものであり、また複数の溝５８は、当該溝５８の溝幅と同一の離間距離（具体的には、例えば３μｍ）で等間隔に並設されている。
次いで、図６（ハ）に示すように、バッファ層下部分５４の一面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、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、処理温度、Ｖ／ＩＩＩ比および処理圧力などの気相成長条件を調整することによって気相成長させることにより、バッファ層下部分５４における溝５８の底部５８ａ、および互いに隣接する溝５８の間に位置する溝間部５８ｂの各々に、ＡｌＮからなる、２つのテーパー面５６を有し、溝５８の幅方向の断面形状が三角形状のバッファ層上部分５５を、当該溝５８に沿って伸びるように形成し、以て、バッファ層下部分５４とバッファ層上部分５５とよりなるバッファ層５３を得る。
そして、基板５１上に形成されたバッファ層５３におけるテーパー面５６上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、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およびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることにより、所要の厚みを有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（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２７を形成することにより、図５に示すような半導体発光素子５０を得ることができる。

図７は、本発明の電子線励起型光源装置における半導体発光素子の構成の更に他の例を示す説明図であり、（イ）は説明用斜視図、（ロ）は説明用断面図である。
この半導体発光素子６０は、電子線源からの電子線が入射されると共に光が放射される一表面（図７（イ）および（ロ）における上面）が、テーパー面３６を有する錐状（図の例においては六角錐状）の凸部３５の複数（図の例においては８個）が互いに離間して形成されてなることによって凹凸状を有する凹凸状表面である。

具体的に、半導体発光素子６０は、例えばサファイアよりなる基板５１の一面（図７（ロ）における上面）に、例えばＧａＮよりなるバッファ層下部分６２（図８（ハ−２）参照）と、ＳｉＯ₂よりなるバッファ層中間部分６３（図８（ハ−２）参照）と、凸部３５を構成するＧａＮよりなる六角錐状のバッファ層上部分６４（図８（ハ−２）参照）とがこの順に積層されてなる構成のバッファ層６１が形成されており、このバッファ層６１における六角錐状のバッファ層上部分６４のテーパー面６５（図８（ハ−２）参照）上に、その全面にわたって当該テーパー面６５に沿うように活性層２７が形成されてなる構成を有するものである。

このような構成の半導体発光素子６０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、先ず、図８（イ）に示すように、例えばサファイアよりなる基板５１の（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、水素および窒素からなるキャリアガスと、トリメチルガリウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることにより、所要の厚み（具体的には、例えば３〜４μｍ）を有するＧａＮからなるバッファ層下部分６２を形成する。その後、バッファ層下部分６２の一面（図８（イ）における上面）上に、図８（ロ）に示すようなフォトリソグラフィー法によって所要の寸法（具体的には、一辺の長さが２μｍ）を有する六角形状の開口部６９ａが所要の周期（具体的には、例えば６μｍ）で複数形成されてなるＳｉＯ₂マスク６９を被覆し、これにより、ＳｉＯ₂よりなるバッファ層中間部分６３を形成する。
次いで、図８（ハ−１）および（ハ−２）に示すように、バッファ層中間部分６３を積層したバッファ層下部分６２の一面、具体的にはＳｉＯ₂マスク６９によって被覆されていない部分、すなわちＳｉＯ₂マスク６９の開口部６９ａにおいてバッファ層下部分６２の一面が露出されている部分の各々に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、水素および窒素からなるキャリアガスと、トリメチルガリウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用い、処理温度、Ｖ／ＩＩＩ比および処理圧力などの気相成長条件を調整することによって気相成長させることにより、ＧａＮからなる、所要の寸法を有する六角錐状のバッファ層上部分６４を形成し、以て、バッファ層下部分６２とバッファ層中間部分６３とバッファ層上部分６４とよりなるバッファ層６１を得る。
そして、基板５１上に形成されたバッファ層６１の六角錐状のバッファ層上部分６４におけるテーパー面６５上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、水素ガスおよび窒素ガスからなるキャリアガスと、トリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることにより、所要の厚みを有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（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２７を形成することにより、図７に示すような半導体発光素子６０を得ることができる。

また、面状の電子線放出部を有する電子線源を半導体発光素子の周辺に配置する形態としては、図１に係る形態に限定されず、例えば図９に示すように、円環状の帯状体よりなる電子線源４０が、半導体発光素子２０の上方の光透過窓１５に接近した領域において、電子線放出部４２における電子線が放射される表面が当該半導体発光素子２０の一表面２０ａと対向するよう傾斜した姿勢で、半導体発光素子２０を取り囲むよう配置され、この状態で、真空容器１１を構成する容器本体１２の側壁１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに固定されてなる形態であってもよい。
また、図１０に示すように、扇状の複数（図の例においては４個）の電子線源４０が、電子線放出部４２における電子線が放射される表面が半導体発光素子２０の一表面２０ａと同方向を向いた姿勢、すなわち真空容器１１の光透過窓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ており、この状態で、真空容器１１を構成する容器本体１２の底壁１３に固定されてなる形態であってもよい。
図１０の例においては、真空容器１１内には、半導体発光素子２０に対して電子線源４０より外方の位置に、電子線源４０から放射された電子線の軌道を半導体発光素子２０における光が放射される一表面２０ａに向かって指向させるための電界制御用電極７０が、当該電子線源３０の外周を取り囲むように配置されている。この電界制御用電極７０は、例えば鉄、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よりなるものであり、真空容器１１の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御用電源（図示せず）の負極側に電気的に接続されている。また、電界制御用電源には、その正極側に、真空容器１１の内部から外部に引き出された導電線を介して電子線源４０が電気的に接続されている。

以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。

〔実験例１〕
先ず、図１〜図３に従い、電子線が入射されると共に光が放射される一表面（２０ａ）が凹凸状表面である半導体発光素子を備えてなる構成の電子線励起型光源装置（以下、「電子線励型光源装置（１）」ともいう。）を作製した。
作製した電子線励起型光源装置（１）を構成する半導体発光素子において、基板（２１）は、サファイアよりなり、その厚みは、６０μｍであり、また基板（２１）に形成されている溝（２２）は、溝深さが１μｍ、溝幅が３μｍ、互いに隣接する溝（２２）の離間距離（溝間部（２１ａ）の幅）が３μｍである。また、バッファ層（２３）は、ＡｌＮよりなり、その厚みは、凸部（３０）を構成するバッファ層上部分の厚み（凸部３０の高さ）が２．５μｍ、バッファ層下部分の厚みが６００ｎｍである。また、活性層（２７）は、厚みが９２ｎｍであってＡｌＧａＮ／Ａｌ（Ｇａ）Ｎ量子井戸構造を有し、量子井戸層（２８）の厚みが１．５ｎｍ、障壁層（２９）の厚みが１０ｎｍであり、また、量子井戸層（２８）の周期が８である。

次いで、電子線励起型光源装置（１）において、電子線が入射されると共に光が放射される一表面が凹凸状表面である半導体発光素子に代えて一表面が平坦な半導体発光素子を用いたこと以外は当該電子線励起型光源装置（１）と同様の構成を有する比較用の電子線励起型光源装置（以下、「比較用電子線励起型光源装置（１）」ともいう。）を作製した。
作製した比較用電子線励起型光源装置（１）を構成する半導体発光素子においては、サファイアよりなる基板の厚みは、６０μｍである。また、ＡｌＮよりなるバッファ層の厚みは、６００ｎｍである。また、活性層は、厚みが９２ｎｍであってＡｌＧａＮ／Ａｌ（Ｇａ）Ｎ量子井戸構造を有し、量子井戸層の厚みが１．５ｎｍ、障壁層の厚みが１０ｍであり、また、量子井戸層の周期が８である。

作製した電子線励起型光源装置（１）および比較用電子線励起型光源装置（１）について、下記数式（１）によって求められる半導体発光素子における電流密度を、電子線源（４０）と引き出し電極（４５）との間に印加される電圧、および電子線の加速電圧などを調整することによって変更し、各電流密度における相対光強度を測定した。結果を図１１に示す。
図１１においては、電子線励起型光源装置（１）の測定値を白丸（○）によるプロットで示し、比較用電子線励起型光源装置（１）の測定値を黒丸（●）によるプロットで示した。

数式（１）：
電流密度〔ｍＡ／ｃｍ²〕＝（電子線源からのエミッション電流〔ｍＡ〕）／（半導体発光素子の面積〔ｃｍ²〕）

ここに、数式（１）において、「半導体発光素子の面積」とは、半導体発光素子を一表面の真上から見たときの当該一表面の面積、すなわち半導体発光素子の一表面の水平投影面積を示す。

この実験例１の結果から、本発明に係る電子線励起型光源装置（１）においては、高い発光効率が得られ、特に電流密度が高い場合においては、効率ドループ現象による発光効率の低下が抑制されることが確認された。

１０電子線励起型光源装置
１１真空容器
１２容器本体
１３底壁
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ側壁
１５光透過窓
２０半導体発光素子
２０ａ一表面
２１基板
２１ａ溝間部
２２溝
２２ａ底部
２３バッファ層
２３ａ側面
２４ａバッファ層下部分
２４ｂバッファ層上部分
２５テーパー面
２７活性層
２８量子井戸層
２９障壁層
３０凸部
３０ａ先端
３１テーパー面
３５凸部
３６テーパー面
４０電子線源
４１支持基板
４２電子線放出部
４３ベース
４５引き出し電極
４６電極保持部材
５０半導体発光素子
５１基板
５３バッファ層
５４バッファ層下部分
５４ａ，５４ｂ縁部
５５バッファ層上部分
５６テーパー面
５７バッファ層下部分材料層
５８溝
５８ａ底部
５８ｂ溝間部
６０半導体発光素子
６１バッファ層
６２バッファ層下部分
６３バッファ層中間部分
６４バッファ層上部分
６５テーパー面
６９ＳｉＯ₂マスク
６９ａ開口部
７０電界制御用電極

Claims

真空容器内に、電子線源と、当該電子線源からの電子線によって励起されて光を放射する半導体発光素子とが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は、複数の凸部が形成されてなる凹凸状表面を有しており、当該凹凸状表面を形成する複数の凸部の各々には、その表面の表層に、当該表面に沿って量子井戸構造が形成されており、当該凹凸状表面に前記電子線源からの電子線が入射されることによって、当該凹凸状表面から光が放射されることを特徴とする電子線励起型光源装置。
前記電子線源は、面状の電子線放出部を有しており、前記半導体発光素子の周辺に配置されてい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。