JP2015046415A - 窒化物半導体発光素子および電子線励起型光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光効率が得られる窒化物半導体発光素子、および、低い加速電圧の電子線で、高い出力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】この窒化物半導体発光素子は、電子線により励起されるものであって、量子井戸構造を有する活性層を含む窒化物半導体層を備えてなり、窒化物半導体層における電子線入射側最表層が窒化ホウ素により構成されている。電子線励起型光源装置は、電子線源と、この電子線源から放射された電子線によって励起される、当該窒化物半導体発光素子とを備えてなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子線によって励起されて例えば波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの深紫外線を発する窒化物半導体発光素子、および、当該窒化物半導体発光素子を備えた電子線励起型光源装置に関する。

電子線を放射することによって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ことのできる光源として期待されている。
このような電子線励起型光源装置において用いられる半導体発光素子としては、例えばＡｌＧａＮ単層膜よりなる発光層を備えた構成のもの（例えば特許文献１参照。）や、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（発光層）を備えた構成のもの（例えば特許文献２、特許文献３参照。）などが提案されている。そして、特許文献２においては、活性層が、例えばＡｌＧａＮ／Ａｌ（Ｇａ）Ｎよりなる量子井戸構造を有する構成とされることが記載されており、また特許文献３においては、活性層が、例えばＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＮよりなる量子井戸構造を有する構成とされることが記載されている。

しかしながら、発光層が量子構造を持たない単層構造や多結晶構造を有する構成のものにおいては、内部量子効率が低く、また、発光の自己吸収が大きくなるため、十分に高い発光効率を得ることができない、という問題がある。
一方、活性層が量子井戸構造を有する構成のものにおいては、障壁層（バリア層）を例えばＡｌ（Ｇａ）Ｎにより形成した場合には、障壁層の厚みを大きくすることにより高いキャリア閉じ込め効果が得られ、半導体発光素子の発光効率の向上を期待することができる。しかしながら、障壁層の厚みを大きくすると、電子線による電子正孔対の多くが障壁層中で発生することになるため、電子線から発光（紫外線）へのエネルギー変換効率が低下してしまい、結局、十分に高い発光効率を得ることができない、という問題がある。

特開２０１１−１７８９２８号公報 特開２０１２−１９９１７４号公報 特開２０１２−１０４６４１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、高い発光効率が得られる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、低い加速電圧の電子線で、高い出力の得られる電子線励起型光源装置を提供することを目的とする。

本発明の窒化物半導体発光素子は、電子線により励起されるものであって、
量子井戸構造を有する活性層を含む窒化物半導体層を備えてなり、
前記窒化物半導体層における電子線入射側最表層が窒化ホウ素により構成されていることを特徴とする。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記活性層における電子線入射側最表層が、前記窒化ホウ素により構成されたものとすることができる。
このような構成のものにおいては、前記電子線入射側最表層の厚みが１０ｎｍ〜３０ｎｍである構成とされることが好ましい。

さらにまた、本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記活性層における障壁層が、窒化ホウ素により形成された構成とされていることが好ましい。
さらにまた、本発明の窒化物半導体発光素子においては、電子線が入射される面から光が放射される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は、電子線源と、この電子線源から放射された電子線によって励起される、上記の窒化物半導体発光素子とを備えてなることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体発光素子における、量子井戸構造を有する活性層を含む窒化物半導体層の最表層を構成する窒化ホウ素（ＢＮ）は、バンドギャップが大きく、また、例えばＡｌＮやＧａＮと比較して密度が小さいといった特性を有するものである。従って、本発明の窒化物半導体発光素子によれば、窒化ホウ素からなる電子線入射側最表層において高いキャリア閉じ込め効果が得られる。しかも、当該電子線入射側最表層は、電子線に対する十分に高い透過性および紫外光への高い透過率を有するものとなるため、電子線入射時のエネルギーロスが低減されて十分に高い発光効率を得ることができる。またＡｌＮなどのアルミニウムを含んだ物質により当該電子線入射側の最表層を形成した構成のものと比較して、表面の酸化が抑制されるため、当該窒化ホウ素からなる最表層を、高い信頼性を有する窒化物半導体発光素子を得ることが可能な保護層とすることができる。

また、活性層における障壁層を窒化ホウ素により形成した構成のものにおいては、上記効果を一層確実に得ることができる。

さらにまた、光取出し主面が電子線入射主面と同一である構成とされることにより、半導体発光素子を当該光取出し主面および電子線入射主面の反対側の面より冷却することが可能となる。従って、窒化物半導体発光素子を効率よく冷却することができるので、窒化物半導体発光素子の発光効率が低下することを抑制することができる。

従って、このような窒化物半導体発光素子を備えてなる電子線励起型光源装置によれば、より低い電子線の加速電圧で、窒化物半導体発光素子に高い発光効率が得られるので、光源装置自体の小型化を図ることができると共に動作の信頼性を向上させることができ、しかも、窒化物半導体発光素子における量子井戸の周期数を増加させた場合であっても、発光体積の増加による高出力化を実現することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子を備えた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説明用断面図である。 図１に示す電子線励起型光源装置における窒化物半導体発光素子の構成を示す説明用断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子における活性層の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。 実験例１において作製した、本発明に係る半導体発光素子と比較用半導体発光素子の各々についての、加速電圧と相対発光効率との関係を示すグラフである。 実験例２において作製した、本発明に係る半導体発光素子と比較用半導体発光素子の各々についての、加速電圧と相対発光効率との関係を示すグラフである。 本発明の窒化物半導体発光素子を備えた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説明用断面図である。

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、本発明の窒化物半導体発光素子を備えた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説明用断面図である。図２は、図１に示す電子線励起型光源装置における窒化物半導体発光素子の構成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、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状の容器（以下、「真空容器」という。）１１を有する。この真空容器１１は、一面（図１において下面）に開口を有する容器基体１２と、この容器基体１２の開口に配置されて当該容器基体１２に気密に封着された、紫外線を内部から外部に透過する光透過窓１３とによって構成されている。

真空容器１１内には、光透過窓１３の内面上に窒化物半導体発光素子（以下、単に、「半導体発光素子」という。）２０が配設されると共に、容器基体１２の内面における半導体発光素子２０に対向した位置には、当該半導体発光素子２０に電子線ｅ⁻を照射する電子線源１５が配設されている。電子線源１５および半導体発光素子２０は、真空容器１１の内部から外部に引き出された導電線（図示省略）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手段（図示省略）に電気的に接続されている。

真空容器１１における容器基体１２を構成する材料としては、石英ガラス等のガラスなど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１３を構成する材料としては、石英ガラスなどを用いることができる。
真空容器１１の内部の圧力は、例えば１０^−４〜１０^−６Ｐａである。

電子線源１５としては、例えば円錐状のモリブデンチップの周囲に電子引き出し用のゲート電極が近接して配置された構造のスピント型エミッター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。
この例における半導体発光素子２０は、基板２１が光透過窓１３の内面に例えばＵＶ硬化性樹脂により接着されて固定されて配置されており、従って、電子線源１５からの電子線ｅ⁻が、半導体発光素子２０における活性層２５の表面に入射される構成とされている。

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１００〜１０μｍである。
また、電子線源１５と半導体発光素子２０における活性層２５との離間距離は、例えば５〜１２０ｍｍである。

而して、本発明の半導体発光素子においては、活性層を含む窒化物半導体層の電子線入射側最表層が、窒化ホウ素により構成されており、当該電子線入射側最表層は、キャリア閉じ込め層としての機能を有する。
この例においては、活性層２５の一部、例えば活性層２５の最表層が窒化ホウ素により構成されている。具体的には、この例における活性層２５は、図３に示すように、例えば多重量子井戸構造を有し、複数の量子井戸層２６と複数の障壁層２７とが、バッファ層２２上にこの順で交互に積層され、最表層側量子井戸層２６ａの一面上に電子線入射側最表層２８が積層されて構成されている。なお、活性層２５における電子線入射側の最表層が窒化ホウ素により構成されることは必須ではない。例えば、活性層における電子線入射側の最表層を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成し、その上面に窒化ホウ素により構成される電子線入射側最表層２８を形成してもよい。

量子井戸層２６の各々は、Ａｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{（１−ｙ−ｚ）}Ｎ（０＜ｙ≦１，０≦ｚ＜１，ｙ+ｚ≦１）よりなり、厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。

障壁層２７は、Ｂ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ+ｚ≦１）よりなり、禁制帯幅が量子井戸層２６のそれよりも大きくなるように組成が選択される。障壁層２７の各々の厚みは、例えば１〜１００ｎｍである。
本発明においては、障壁層２７の各々は、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）により形成されていることが好ましい。これにより、所期のキャリア閉じ込め効果を確実に得ることができて、発光効率を一層向上させることができる。

窒化ホウ素からなる電子線入射側最表層２８の厚みは、例えば１０ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。当該電子線入射側最表層２８の厚みを上記範囲とすることにより、所期のキャリア閉じ込め効果が得られるとともに、電子線から発光（紫外線）へのエネルギー変換効率を高いものとすることができる。

以上において、活性層２５を構成する量子井戸Ｑｗの周期は、量子井戸層２６、障壁層２７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。

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、次のようにして、上記の半導体発光素子２０を作製することができる。

先ず、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を形成する。

次いで、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Ａｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{（１−ｙ−ｚ）}Ｎ（０＜ｙ≦１，０≦ｚ＜１，ｙ+ｚ≦１）よりなる量子井戸層２６を形成する（量子井戸層形成工程）。
その後、水素ガスおよび窒素ガスからなるキャリアガスと、所定の原料ガスとを用い、量子井戸層２６上に気相成長させることにより、所要の厚みを有する障壁層２７を形成する（障壁層形成工程）。ここに、障壁層２７を例えばＡｌＮにより形成する場合には、原料ガスとして、例えばトリメチルアルミニウムおよびアンモニアからなるものを用いることができる。また、障壁層２７を例えば窒化ホウ素により形成する場合には、原料ガスとして、例えばトリエチルボロンおよびアンモニアからなるものを用いることができる。

このような量子井戸層形成工程およびこれに連続する障壁層形成工程を必要に応じて繰り返して、電子線入射側に位置する最表層側量子井戸層（最終量子井戸層）２６ａを形成した後、窒化ホウ素よりなる障壁層を形成する場合と同様の方法により、窒化ホウ素からなる電子線入射側最表層２８を最表層側量子井戸層２６ａ上に形成することにより、例えば電子線入射側最表層２８を備えた多重量子井戸構造を有する活性層２５を形成し、以て、図２および図３に示す構成の半導体発光素子２０を作製することができる。

上記のバッファ層２２、量子井戸層２６および障壁層２７並びに電子線入射側最表層２８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２６および障壁層２７並びに電子線入射側最表層２８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、活性層２５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。

上記の電子線励起型光源装置１０においては、電子線源１５から放出された電子ｅ⁻は、半導体発光素子２０と電子線源１５との間に印加された加速電圧によって加速され、これにより、電子線が形成される。そして、この電子線が半導体発光素子２０に入射されることにより、半導体発光素子２０から波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの深紫外線を含む光が放射され、当該光が光透過窓１３を介して外部に放射される。
ここに、電子線の加速電圧は、例えば６〜１２ｋＶ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。

而して、上記構成の半導体発光素子２０における活性層２５の電子線入射側最表層２８を構成する窒化ホウ素は、バンドギャップが大きく、また、例えばＡｌＮやＧａＮと比較して密度が小さいといった特性を有するものである。従って、上記構成の半導体発光素子２０によれば、当該電子線入射側最表層２８において高いキャリア閉じ込め効果が得られる。しかも、当該電子線入射側最表層２８は、電子線に対する十分に高い透過性および紫外光に対する高い透過率を有するものとなるため、電子線入射時のエネルギーロスが低減されて十分に高い発光効率を得ることができる。
さらに、活性層２５における障壁層２７を窒化ホウ素により形成した構成のものにおいては、上記効果を一層確実に得ることができる。

そして、このような半導体発光素子２０を備えた電子線励起型光源装置１０によれば、後述する実験例の結果に示されるように、半導体発光素子２０と電子線源１５との間に印加される電子線の加速電圧を高くすることなしに、半導体発光素子２０に高い発光効率が得られるので、電子線励起型光源装置１０自体の小型化を図ることができると共に動作の信頼性を向上させることができる。また、半導体発光素子２０における量子井戸Ｑｗの周期数を増加させた場合であっても、発光体積の増加による高出力化を実現することができる。

以下、本発明の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＞
〔半導体発光素子〔１〕の作製〕
ＣＶＤ装置の処理炉内に、サファイアよりなる基板（２１）を配置し、炉内圧力を１０ｋＰａ、炉内温度を１２００℃に設定し、処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスとしてトリメチルアルミニウムおよびアンモニアを処理炉内に供給し、基板（２１）の（０００１）面に気相成長させることにより、厚みが６００ｎｍのＡｌＮ単結晶よりなるバッファ層（２２）を形成した。
次いで、炉内圧力を１０ｋＰａ、炉内温度を１０８０℃に設定し、キャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスとして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を処理炉内に供給し、厚みが１．５ｎｍのＡｌ_０．６９Ｇａ_０．２１Ｎよりなる量子井戸層（２６）を、バッファ層（２２）の一面上に形成した（量子井戸層形成工程）。
その後、原料ガスとしてトリメチルアルミニウムおよびアンモニアを処理炉内に供給し、厚みが１５ｎｍのＡｌＮよりなる障壁層（２７）を、量子井戸層（２６）の一面上に形成した（障壁層形成工程）。
このような量子井戸層形成工程およびこれに連続する障壁層形成工程を合計で７回繰り返した。次いで、厚みが1．５ｎｍのＡｌ_０．６９Ｇａ_０．２１Ｎよりなる最表層側量子井戸層（２６ａ）を、上記の量子井戸層形成工程と同様の方法により、形成した。その後、原料ガスとしてトリエチルボロンおよびアンモニアを処理炉内に供給し、厚みが１５ｎｍの最終障壁層としても機能する窒化ホウ素（ＢＮ）により構成される電子線入射側最表層（２８）を、最表層側量子井戸層（２６ａ）の一面上に形成した。これにより、当該最表層側量子井戸層（２６ａ）および電子線入射側最表層（２８）による量子井戸（Ｑｗ）を含む、実質的に８周期の多重量子井戸構造を有する活性層（２５）を形成し、以て、図２および図３に示す構成を有する本発明に係る窒化物半導体発光素子（２０）（以下、「発光素子〔１〕という。」）を作製した。この発光素子〔１〕における活性層の厚みは、１３２ｎｍである。

〔比較用半導体発光素子〔１〕の作製〕
上記の発光素子〔１〕の作製工程において、量子井戸層形成工程および障壁層形成工程を合計で８回繰り返すことにより８周期の多重量子井戸構造を有する活性層を形成したことの他は、上記の発光素子〔１〕の作製工程と同様の方法により、比較用の半導体発光素子（以下、「比較用発光素子〔１〕」という。）を作製した。この比較用発光素子〔１〕における活性層の厚みは、厚みが１３２ｎｍである。

〔電子線励起型光源装置の作製〕
モリブデンチップを有するスピント型エミッターよりなる電子線源（１５）を、外形の寸法が４０ｍｍ×２５ｍｍ×２５ｍｍで、一面に７ｍｍ×５ｍｍの開口を有する、肉厚が４ｍｍのガラスよりなる容器基体（１２）の底面に配置した。
また、上記において作製した発光素子〔１〕を、寸法が７ｍｍ×５ｍｍ×４ｍｍの板状の石英ガラスよりなる光透過窓（１３）の一面に、当該発光素子〔１〕の基板（２１）が当該光透過窓（１３）に接するよう配置し、ＵＶ硬化樹脂によって接着して固定した。そして、光透過窓（１３）を、発光素子〔１〕が電子線源（１５）に対向するよう、容器基体（１２）の開口に配置し、内部の圧力が１×１０^−６Ｐａとなるよう排気すると共に、容器基体（１２）に光透過窓（１３）を気密に封着することにより、真空容器（１１）を構成し、以て、図１に示す構成を有する本発明に係る電子線励起型光源装置を作製した。ここで、電子線源（１５）と発光素子〔１〕における活性層（２５）との離間距離は３０ｍｍである。
また、半導体発光素子（２０）として、上記において作製した比較用発光素子〔１〕を用いたことの他は、上記の本発明に係る電子線励起型光源装置と同一の構成を有する比較用の電子線励起型光源装置を作製した。

そして、本発明に係る電子線励起型光源装置および比較用の電子線励起型光源装置の各々について、照射電流を１０μＡとし、加速電圧を適宜に変化させて、電子線を照射したときの、発光素子〔１〕および比較用発光素子〔１〕の発光効率を調べた。結果を図４に示す。図４における縦軸は、発光素子〔１〕および比較用発光素子〔１〕の各々について得られる最大値に対して規格化を行った相対発光効率である。そして、図４においては、本発明に係る発光素子〔１〕の結果を白抜きの菱形印のプロット、比較用発光素子〔１〕の結果を塗りつぶされた菱形印のプロットで示している。

図４に示す結果から明らかなように、窒化物半導体層の電子線入射側の最表層（電子線入射側最表層）が窒化ホウ素よりなる本発明に係る発光素子〔１〕においては、活性層の電子線入射側の最表層（最終障壁層）がＡｌＮよりなる比較用発光素子〔１〕と比較して、低い加速電圧においても、高い発光効率が得られることが確認された。この理由としては、本発明に係る発光素子〔１〕において、窒化物半導体層の電子線入射側最表層を形成する窒化ホウ素の密度（２．１ｇ/ｃｍ^３）は、例えばＡｌＮ（密度：３．２ｇ/ｃｍ^３）やＧａＮ（密度：６．１５ｇ/ｃｍ^３）と比較して小さく、また、電子線に対して透過性が高いものであることから、電子線のエネルギーロスを有効に抑制することができたためであると考えられる。なお、図４において、発光効率が最大となる加速電圧が存在する理由は、加速電圧によって電子の侵入深さが異なるためであり、加速電圧と発光層の厚さとの間には、最適な関係が存在することが推察される。

＜実験例２＞
〔半導体発光素子〔２〕の作製〕
上記実験例１に係る発光素子〔１〕の作製工程において、上記の量子井戸層形成工程および原料ガスとしてトリエチルボロンおよびアンモニアからなるものを用いた障壁層形成工程を、合計で１０回繰り返したことの他は、上記の発光素子〔１〕の作製工程と同一の方法により、最表層側量子井戸層および電子線入射側最表層による量子井戸を含む、Ａｌ_０．６９Ｇａ_０．２１Ｎ／ＢＮよりなる実質的に１１周期の多重量子井戸構造を有する活性層を備えた本発明に係る半導体発光素子（以下、「発光素子〔２〕」という。）を作製した。この発光素子〔２〕における活性層の厚みは、１８１．５ｎｍである。

〔比較用半導体発光素子〔２〕の作製〕
上記実験例１に係る発光素子〔１〕の作製工程において、量子井戸層形成工程および障壁層形成工程を合計で１１回繰り返すことにより、Ａｌ_０．６９Ｇａ_０．２１Ｎ／ＡｌＮよりなる１１周期の多重量子井戸構造を有する活性層を形成したことの他は、上記の発光素子〔１〕の作製工程と同様の方法により、比較用の半導体発光素子（以下、「比較用発光素子〔２〕」という。）を作製した。この比較用発光素子〔２〕における活性層の厚みは、１８１．５ｎｍである。

上記実験例１に係る電子線励起型光源装置の作製工程において、それぞれ、発光素子〔２〕および比較用発光素子〔２〕を用いた、本発明に係る電子線励起型光源装置および比較用の電子線励起型光源装置を作製し、実験例１と同様の方法により、各半導体発光素子の発光効率を調べた。結果を図５に示す。図５においては、本発明に係る発光素子〔２〕の結果を三角印のプロット、比較用発光素子〔２〕の結果を四角印のプロットで示している。

図５に示す結果から明らかなように、活性層における電子線入射側最表層および活性層の各々の障壁層が窒化ホウ素よりなる本発明に係る発光素子〔２〕においては、活性層の障壁層の各々がＡｌＮよりなり、電子線入射側の最表層（最終障壁層）がＡｌＮにより構成された、量子井戸の周期数が互いに同一の比較用発光素子〔２〕と比較して、低い加速電圧で、高い効率が得られることが確認された。また、量子井戸の周期数を増加させた場合であっても、低い加速電圧で高い発光効率が得られることが確認された。この理由としては、窒化ホウ素は、上述したように電子線透過性が高いものであるため、電子線が半導体発光素子の厚み方向に深く侵入し、厚みの大きい発光層を効率よく励起しているためだと考えられる。

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、本発明においては、窒化ホウ素よりなる電子線入射側最表層は、活性層を含む窒化物半導体層における最表層を構成していればよく、活性層における電子線入射側の最表層が窒化ホウ素よりなる電子線入射側最表層により構成されたものに限定されない。すなわち、電子線入射側最表層は、活性層とは別個の機能層として活性層上に設けられた構成とされていてもよい。例えば、活性層における電子線入射側最表層を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成し、その上面に窒化ホウ素により構成される電子線入射側最表層を形成しても同様の効果が得られる。即ち、本発明では、量子井戸構造を有する活性層を含む窒化物半導体層における電子線入射側最表層を窒化ホウ素により構成することが重要である。
また、電子線入射側最表層が、半導体発光素子の最表層を形成する構成とされている必要はなく、例えば、窒化物半導体層における最表層を構成する窒化ホウ素よりなる電子線入射側最表層上に金属薄膜によるメタルバッファ層が設けられた構成とされていてもよい。このような構成のものによれば、半導体発光素子における電子線が照射される一面に、電子線の照射により電荷が蓄積されることを防止または抑制することができるので、電子線放射源からの電子線を効率よく半導体発光素子の一面に照射することができて高い光出力を得ることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子においては、電子線入射面と光取出し面とが同一である構成とされていても、異なる構成とされていても、いずれであってもよいが、電子線入射面と光取出し面とが同一とされた構成のものにおいては、半導体発光素子を電子線入射面および光取出し面の反対側の面から冷却することが可能となるため、半導体発光素子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、という効果が得られる。以下、このような電子線励起型光源装置の構成について具体的に説明する。

図６は、本発明の窒化物半導体発光素子を備えた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説明用断面図である。図６（ａ）は、側面断面図であり、図６（ｂ）は、光透過窓の上方から見た状態を示す平面図である。
この電子線励起型光源装置３０は、密閉された外形が直方体状の真空容器３１を備えている。この真空容器３１は、一面（図６（ａ）において上面）に開口を有する容器基体３２と、この容器基体３２の開口に配置されて当該容器基体３２に気密に封着された光透過窓３３とによって構成されている。

真空容器３１における容器基体３２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３１における光透過窓３３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３１の内部の圧力は、例えば１０^−４〜１０^−６Ｐａである。
真空容器３１の寸法の一例を挙げると、容器基体３２の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍ、容器基体３２の肉厚が２ｍｍ、容器基体３２の開口が３６ｍｍ×３６ｍｍで、光透過窓３３の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍである。

真空容器３１内には、例えば図２および図３に示す構成の半導体発光素子２０が、その表面（活性層２５の表面）２０ａが光透過窓３３に離間して対向するよう、基板２１が容器基体３２を構成する底壁３２ａに固定されて配置されている。この半導体発光素子２０の周辺、具体的には、容器基体３２における互いに対向する一対の側壁３２ｂ，３２ｃの各々には、電子線源４０，４０が配置されている。

半導体発光素子２０は、真空容器３１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３１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ている。そして、電子線源４０の各々は、真空容器３１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。

各々の電子線源４０は、板状のベース４３上に固定された支持基板４１上に面状の電子線放出部４２が形成されて構成されており、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容器基体３２における一対の側壁３２ｂ，３２ｃに平行となる姿勢で固定されている。
この例においては、一方の側壁３２ｂに配設された電子線源４０と、他方の側壁３２ｃ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。

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ている。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３１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３１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１３８ｍｍ^２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る。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法を好適に用いることができる。また、例えば、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も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。

上記の電子線励起型光源装置３０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る。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ながら進み、電子線として半導体発光素子２０の表面２０ａすなわち活性層２５における最表層を構成する電子線入射側最表層２８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２５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表面から深紫外線を含む光が放射される。半導体発光素子２０からの光は、真空容器３１における光透過窓３３を介して当該真空容器３１の外部に出射される。
以上において、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、電子線の加速電圧は、６〜１２ｋＶである。

このような電子線励起型光源装置３０によれば、上記図１に示す構成の電子線励起型光源装置１０と同様の効果が得られると共に、次のような付随的な効果が得られる。すなわち、面状の電子線放出部４２を有する、複数の電子線源４０が、半導体発光素子２０の周辺において当該半導体発光素子２０を挟んだ位置に配置されているため、半導体発光素子２０の表面２０ａに均一に電子線を照射することができると共に、電子線の加速電圧を高くすることなしに高い光の出力が得られる。
しかも、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表面２０ａから光が放射されるため、半導体発光素子２０の裏面２０ｂから当該半導体発光素子２０を冷却することが可能である。従って、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を維持することができる。

１０ 電子線励起型光源装置
１１ 真空容器
１２ 容器基体
１３ 光透過窓
１５ 電子線源
２０ 半導体発光素子
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２１ 基板
２２ バッファ層
２５ 活性層
２６ 量子井戸層
２６ａ 最表層側量子井戸層
２７ 障壁層
２８ 電子線入射側最表層
Ｑｗ 量子井戸
３０ 電子線励起型光源装置
３１ 真空容器
３２ 容器基体
３２ａ 底壁
３２ｂ，３２ｃ 一対の側壁
３３ 光透過窓
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

Claims (6)

1. 電子線により励起される窒化物半導体発光素子であって、
   量子井戸構造を有する活性層を含む窒化物半導体層を備えてなり、
   前記窒化物半導体層における電子線入射側最表層が窒化ホウ素により構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記活性層における電子線入射側最表層が、前記窒化ホウ素により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記電子線入射側最表層の厚みが１０ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記活性層における障壁層が、窒化ホウ素からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 電子線が入射される面から光が放射されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 電子線源と、この電子線源から放射された電子線によって励起される、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子とを備えてなることを特徴とする電子線励起型光源装置。

Images