JP5370408B2 - 電子線励起型光源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、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発光する半導体発光素子とを備えてなる電子線励起型光源装置に関するものである。
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光源として期待されている。
図１０は、従来の電子線励起型光源の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。この電子線励起型光源は、レーザー光を放射するものであって、内部が負圧の状態で密閉された、光透過窓８１を有するケーシング８０を具え、このケーシング８０内には、光透過窓８１の内面に、半導体発光素子８２の両面に光反射部材８３、８４が配置されてなるレーザー構造体８５が配置されると共に、当該ケーシング８０の底壁の内面に、半導体発光素子８２に電子線を照射する電子線源８６がレーザー構造体８５に対向するよう配置されている。半導体発光素子８２および電子線源８６は、ケーシング８０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８７に電気的に接続されている。このような構成の電子線励起型光源は、特許文献１に記載されている。
図１０は、従来の電子線励起型光源の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。この電子線励起型光源は、レーザー光を放射するものであって、内部が負圧の状態で密閉された、光透過窓８１を有するケーシング８０を具え、このケーシング８０内には、光透過窓８１の内面に、半導体発光素子８２の両面に光反射部材８３、８４が配置されてなるレーザー構造体８５が配置されると共に、当該ケーシング８０の底壁の内面に、半導体発光素子８２に電子線を照射する電子線源８６がレーザー構造体８５に対向するよう配置されている。半導体発光素子８２および電子線源８６は、ケーシング８０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８７に電気的に接続されている。このような構成の電子線励起型光源は、特許文献１に記載されている。
上記の電子線励起型光源においては、電子線源８６から放出された電子は、半導体発光素子８２と電子線源８６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８４を介して半導体発光素子８２に入射されることにより、半導体発光素子８２から光が放射され、この光は、光反射部材８３，８４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８１を介して外部に放射される。
然るに、上記の電子線励起型光源においては、半導体発光素子８２は電子線が照射されることによって発熱するが、半導体発光素子８２の一面が光出射面として利用され、その他面が電子線の入射面として利用されているため、半導体発光素子８２をその面積の大きい一面および他面のいずれからも冷却することができず、従って、該半導体発光素子８２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８２が高い温度に発熱し、これにより、半導体発光素子８２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８２に早期に故障が生じる、という問題がある。
また、出力の高い光を得るためには、電子線の加速電圧を高くすることが考えられるが、電子線の加速電圧を高くしたときには、半導体発光素子８２からＸ線が発生する、という問題がある。
また、出力の高い光を得るためには、電子線の加速電圧を高くすることが考えられるが、電子線の加速電圧を高くしたときには、半導体発光素子８２からＸ線が発生する、という問題がある。
このような問題を解決するためには、図１１（イ）に示すように、半導体発光素子８２の周辺に電子線源８６を配置し、ケーシング内の電界を制御することにより、電子線源８６から放物線状の軌道に沿って進む電子線を半導体発光素子８２の一面に入射し、当該半導体発光素子８２の一面から光を放射して光透過窓８１から出射する構成が考えられる。このような構成によれば、半導体発光素子８２の他面から当該半導体発光素子８２を冷却することが可能となる。
しかしながら、上記の構成の電子線励起型光源装置においては、以下のような問題があることが判明した。
すなわち、図１１（ロ）に示すように、電子線源８６からの電子線は、その一部が所期の軌道から外れたり、或いは半導体発光素子８２の一面に反射されたりすることによって、光透過窓８１に照射され、これにより、光透過窓８１において二次電子が放出されて当該光透過窓８１が正に帯電する。そのため、ケーシング内の電界状態が変化する結果、電子線源８６からの電子線が半導体発光素子８２の一面に確実に入射されず、発光効率が著しく低下する。
すなわち、図１１（ロ）に示すように、電子線源８６からの電子線は、その一部が所期の軌道から外れたり、或いは半導体発光素子８２の一面に反射されたりすることによって、光透過窓８１に照射され、これにより、光透過窓８１において二次電子が放出されて当該光透過窓８１が正に帯電する。そのため、ケーシング内の電界状態が変化する結果、電子線源８６からの電子線が半導体発光素子８２の一面に確実に入射されず、発光効率が著しく低下する。
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、光透過窓が帯電することがなく、電子線が半導体発光素子の一面に確実に入射されて高い発光効率が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、光透過窓を有するケーシング内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が配置されてなり、前記半導体発光素子の一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、当該半導体発光素子の当該一面から光が放射されて前記光透過窓から出射される電子線励起型光源装置において、
前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する電子線遮蔽電極が設けられていることを特徴とする。
前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する電子線遮蔽電極が設けられてい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、前記ケーシング内には、前記電子線源からの電子線の軌道を前記半導体発光素子の一面に向かって指向させる電界制御用電極が設けられていることが好ましい。
このような電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極は、前記電界制御用電極に電気的に接続されていることが好ましい。
また、本発明の電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極はストライプ状または網状のものであることが好ましい。
このような電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極は、前記電界制御用電極に電気的に接続されていることが好ましい。
また、本発明の電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極はストライプ状または網状のものであることが好ましい。
本発明の電子線励起型光源装置によれば、ケーシングにおける光透過窓の内面または光透過窓と半導体発光素子との間に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極が設けられているため、光透過窓に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓に照射されることが防止される。そのため、光透過窓が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明図であり、（イ）は側面断面図、（ロ）は、光透過窓を取り外した状態を示す平面図である。
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ケーシング１０を有し、このケーシング１０は、一面（図１（イ）において上面）に開口を有するケーシング基体１１と、このケーシング基体１１の開口に配置されて当該ケーシング基体１１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。
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ケーシング１０を有し、このケーシング１０は、一面（図１（イ）において上面）に開口を有するケーシング基体１１と、このケーシング基体１１の開口に配置されて当該ケーシング基体１１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。
ケーシング１０内には、半導体発光素子２０が、その表面（図１（イ）において上面）２０ａが光透過窓１５に離間して対向するよう配置され、この半導体発光素子２０の周辺領域、具体的には、半導体発光素子２０の表面上の領域および裏面上の領域以外の当該半導体発光素子２０に近接した領域には、支持基板３１上に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は円環状の帯状体よりなり、当該電子線放出部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の表面２０ａと同方向を向いた姿勢すなわちケーシング１０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、この状態で、支持部材３７を介してケーシング１０におけるケーシング基体１１の底壁に固定されている。半導体発光素子２０は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、ケーシング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用電源５０の正極側に電気的に接続され、電子線源３０は、ケーシング１０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５０の負極側に電気的に接続されている。また、半導体発光素子２０は、その裏面２０ｂに設けられた高熱伝導部材１６を介して、ケーシング１０におけるケーシング基体１１の底壁に固定されている。
ケーシング１０内において、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における光が放射される表面２０ａに向かって指向させる電界制御用電極４０が配置されている。具体的には、電界制御用電極４０は、電子線源３０の外径より大きい内径を有する胴部４１と、この胴部４１に連続して形成された、先端（図１（イ）において上端）に向かって小径となるテーパ部４２とよりなる円筒体よりなり、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４０の基端が、ケーシング１０におけるケーシング基体１１の底壁に固定されている。電子線源３０は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、ケーシング１０の外部に設けられた電界制御用電源５２の正極側に電気的に接続され、電界制御用電極４０は、ケーシング１０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５２の負極側に電気的に接続されている。
ケーシング１０における光透過窓１５の内面には、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が設けられている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
ケーシング１０におけるケーシング基体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物を用いることができる。
また、ケーシング１０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、ケーシング１０の内部の圧力は、例えば１０-4〜１０-6Ｐａである。
ケーシング１０の寸法の一例を挙げると、ケーシング基体１１の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３２ｍｍ、ケーシング基体１１の肉厚が２．５ｍｍ、ケーシング基体１１の開口が３５ｍｍ×３５ｍｍで、光透過窓１５の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍである。
また、ケーシング１０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、ケーシング１０の内部の圧力は、例えば１０-4〜１０-6Ｐａである。
ケーシング１０の寸法の一例を挙げると、ケーシング基体１１の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３２ｍｍ、ケーシング基体１１の肉厚が２．５ｍｍ、ケーシング基体１１の開口が３５ｍｍ×３５ｍｍで、光透過窓１５の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍである。
高熱伝導部材１６を構成する材料としては、銅などの熱伝導性の高い金属やダイヤモンドなどを用いることができる。
半導体発光素子２０は、図２に示すように、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、活性層２５がケーシング１０における光透過窓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における光が出射される表面２０ａと光透過窓１５の内面との距離は、例えば３〜２５ｍｍである。
この例における半導体発光素子２０は、活性層２５がケーシング１０における光透過窓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における光が出射される表面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Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-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２６と単一または複数の障壁層２７とが、バッファ層２２上にこの順で交互に積層されて構成されている。
量子井戸層２６の各々の厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。また、障壁層２７はその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２６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２６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が、通常、１〜１００である。
量子井戸層２６の各々の厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。また、障壁層２７はその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２６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２６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Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-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２６および障壁層２７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２６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。
また、ＩｎＡｌＧａＮよりなる量子井戸層２６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。
本発明においては、図３に示すように、半導体発光素子２０における電子線が入射される表面２０ａのレベルＬ１が、電子線源３０の電子線放出部３２における電子線が放射される面のレベルＬ２より当該半導体発光素子２０の光の放射方向（図１（イ）および図３において上方向）に変位したレベル、すなわち半導体発光素子２０の表面２０ａの法線方向Ｘにおいて、電子線源３０の電子線放出部３２における電子線が放射される面より光透過窓１５に接近するよう変位したレベルとされていることが好ましく、具体的には、半導体発光素子２０における表面２０ａのレベルＬ１と、電子線放出部３２における電子線が放射される面のレベルＬ２との距離（変位量）ｄが２〜５ｍｍであることがより好ましい。このような構成によれば、電子線放出部３２から放射される電子線の軌道を小さい電圧で容易に制御することができ、半導体発光素子２０の表面２０ａに一層高い効率で電子線を入射することができる。
図４に示すように、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３１上に支持されることによって形成されており、電子線源３０における支持基板３１は、板状のベース３３上に固定されている。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、この引き出し電極３５は、電極保持部材３６を介してベース３３に固定されている。支持基板３１および引き出し電極３５は、ケーシング１０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、ケーシング１０の外部に設けられた電子線放出用電源５１に、引き出し電極３５が正極、支持基板３１が負極となるよう電気的に接続されている。
電子線源３０の寸法の一例を挙げると、支持基板３１の外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ、電子線放出部３２の外径が２４ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、電子線放出部３２における電子線が放射される面の面積が１３８ｍｍ2 である。
電子線源３０の寸法の一例を挙げると、支持基板３１の外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ、電子線放出部３２の外径が２４ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、電子線放出部３２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。
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４０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。
電界制御用電極４０の寸法の一例を示すと、胴部４１の内径が３４ｍｍ、軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部４２の先端における内径が２８ｍｍ、軸方向の長さが３ｍｍ、胴部４１に対するテーパ部４２の傾きは例えば４５°、電界制御用電極４０を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍであり、電子線源３０の電子線放出部３２における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部４２の先端のレベルとの距離が２〜５ｍｍである。
電界制御用電極４０の寸法の一例を示すと、胴部４１の内径が３４ｍｍ、軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部４２の先端における内径が２８ｍｍ、軸方向の長さが３ｍｍ、胴部４１に対するテーパ部４２の傾きは例えば４５°、電界制御用電極４０を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍであり、電子線源３０の電子線放出部３２における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部４２の先端のレベルとの距離が２〜５ｍｍである。
電子線遮蔽電極４５を構成する材料、図示の例では、電子線遮蔽電極４５を形成する金属線の材質としては、アルミニウム、銀、金、白金、ステンレス、クロム、ニッケル、チタン、ジルコニウムなどの金属を用いることができる。
電子線遮蔽電極４５を形成する金属線の寸法等の一例を挙げると、金属線の幅が１００μｍ、厚みが２０μｍで、金属線の配置ピッチが１５００μｍである。
電子線遮蔽電極４５を形成する金属線の寸法等の一例を挙げると、金属線の幅が１００μｍ、厚みが２０μｍで、金属線の配置ピッチが１５００μｍである。
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、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が形成されると共に、加速電圧および電界制御用電源５２によって電子線源３０と電界制御用電極４０との間に印加される電圧により、電子線源３０からの電子線は、半導体発光素子２０における光が放射される表面２０ａに向かって指向されてその軌道が放物線状となり、その結果、当該電子線は、半導体発光素子２０の表面２０ａすなわち活性層２５の表面に入射される。このとき、電子線源３０からの電子線の一部は、所期の軌道から外れたり或いは半導体素子２０の一面に反射されたりすることにより、ケーシング１０における光透過窓１５に向かって進むが、光透過窓１５の内面には、電界制御用電源５２の負極側に電気的に接続されて負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、電子線は、電子線遮蔽電極４５によって遮蔽されて光透過窓１５に照射されることが防止される。
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２０ａから紫外線などの光が放射され、ケーシング１０における光透過窓１５を介して当該ケーシング１０の外部に出射される。
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２０ａから紫外線などの光が放射され、ケーシング１０における光透過窓１５を介して当該ケーシング１０の外部に出射される。
以上において、電子線放出用電源５１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１〜５ｋＶである。
また、電子加速用電源５０によって印加される電子線の加速電圧は、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。
また、電界制御用電源５２によって電子線源３０と電界制御用電極４０との間に印加される電圧は、例えば−２〜２ｋＶである。
また、電子加速用電源５０によって印加される電子線の加速電圧は、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。
また、電界制御用電源５２によって電子線源３０と電界制御用電極４０との間に印加される電圧は、例えば−２〜２ｋＶである。
このような電子線励起型光源装置によれば、ケーシング１０における光透過窓１５の内面に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明図であり、（イ）は側面断面図、（ロ）は、光透過窓を取り外した状態を示す平面図である。
この電子線励起型光源装置においては、電子線遮蔽電極４５が金属メッシュよりなる網状のものであり、網目を形成する開口によって光透過部が形成されている。この電子線遮蔽電極４５は、円筒体よりなる電界制御用電極４０の上端にその開口を塞ぐよう配置されて当該電界制御用電極４０に電気的に接続されている。電子線遮蔽電極４５を構成する金属メッシュの寸法の一例を示すと、線幅が２００μｍ、厚みが５０μｍ、網目のピッチが１０００μｍである。
その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
この電子線励起型光源装置においては、電子線遮蔽電極４５が金属メッシュよりなる網状のものであり、網目を形成する開口によって光透過部が形成されている。この電子線遮蔽電極４５は、円筒体よりなる電界制御用電極４０の上端にその開口を塞ぐよう配置されて当該電界制御用電極４０に電気的に接続されている。電子線遮蔽電極４５を構成する金属メッシュの寸法の一例を示すと、線幅が２００μｍ、厚みが５０μｍ、網目のピッチが１０００μｍである。
その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
このような電子線励起型光源装置によれば、電子線遮蔽電極４５が、ケーシング１０における光透過窓１５と半導体発光素子２０との間に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明用側面断面図である。
この電子線励起型光源装置においては、ケーシング１０における光透過窓１５の外面に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が設けられている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
この電子線励起型光源装置においては、ケーシング１０における光透過窓１５の外面に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が設けられている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
このような電子線励起型光源装置によれば、ケーシング１０における光透過窓１５の外面に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明用側面断面図である。
この電子線励起型光源装置においては、ケーシング１０における光透過窓１５の内部に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が面方向に沿って埋設されている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、光透過窓１５の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
この電子線励起型光源装置においては、ケーシング１０における光透過窓１５の内部に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が面方向に沿って埋設されている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、光透過窓１５の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
このような電子線励起型光源装置によれば、ケーシング１０における光透過窓１５の内部に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が埋設されているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
以上、本発明の電子線励起型光源装置の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、以下のように種々の変更を加えることが可能である。
本発明の電子線励起型光源装置において、電子線遮蔽電極４５は、負の電位に維持されれるのであれば、電界制御用電極４０に電気的に接続されていることは必須ではなく、例えば図８（イ）および図８（ロ）に示すように、電子線遮蔽電極４５が、ケーシング１０の外部に設けられた電子線遮蔽用電源５３の負極側に導電線を介して電気的に接続され、電子線源３０が、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、電子線遮蔽用電源５３の正極側に電気的に接続されていてもよい。このような構成において、電子線遮蔽用電源５３によって電子線源３０と電子線遮蔽電極４５との間に印加される電圧は、例えば−２〜２ｋＶである。
また、電子線源の具体的な形状は、円環状に限定されず、または部分円環状、矩形の板状、その他の形状であってもよい。
また、電子線源３０における電子線放出部３２は、カーボンナノチューブよりなるものに限定されず、 種々の構成のものを用いることができる。
また、電界制御用電極４０においては、テーパ部４２を形成することは必須のことではなく、例えば軸方向において外径および内径の各々が一様な円筒状のものであってもよい。
また、電子線遮蔽電極４５は、ストライプ状または網状のものに限定されず、例えばＩＴＯ膜などの透明導電膜よりなるものであってもよい。電子線遮蔽電極４５が光透過性導電膜よりなるものである場合には、その全体が光透過部となる。
本発明の電子線励起型光源装置において、電子線遮蔽電極４５は、負の電位に維持されれるのであれば、電界制御用電極４０に電気的に接続されていることは必須ではなく、例えば図８（イ）および図８（ロ）に示すように、電子線遮蔽電極４５が、ケーシング１０の外部に設けられた電子線遮蔽用電源５３の負極側に導電線を介して電気的に接続され、電子線源３０が、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、電子線遮蔽用電源５３の正極側に電気的に接続されていてもよい。このような構成において、電子線遮蔽用電源５３によって電子線源３０と電子線遮蔽電極４５との間に印加される電圧は、例えば−２〜２ｋＶである。
また、電子線源の具体的な形状は、円環状に限定されず、または部分円環状、矩形の板状、その他の形状であってもよい。
また、電子線源３０における電子線放出部３２は、カーボンナノチューブよりなるものに限定されず、 種々の構成のものを用いることができる。
また、電界制御用電極４０においては、テーパ部４２を形成することは必須のことではなく、例えば軸方向において外径および内径の各々が一様な円筒状のものであってもよい。
また、電子線遮蔽電極４５は、ストライプ状または網状のものに限定されず、例えばＩＴＯ膜などの透明導電膜よりなるものであってもよい。電子線遮蔽電極４５が光透過性導電膜よりなるものである場合には、その全体が光透過部となる。
以下、本発明の電子線励起型光源装置の具体的な実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
〈実施例１〉
図１に示す構成に従い、下記の仕様の電子線励起型光源装置を作製した。
ケーシング（１０）：
ケーシング基体（１１）は、コバールガラスよりなり、その外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３０ｍｍ、肉厚が２．５ｍｍであり、ケーシング基体（１１）の開口が３５ｍｍ×３５ｍｍである。光透過窓（１５）は、サファイアよりなり、その寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２．５ｍｍである。
また、ケーシング（１０）の内部の圧力は、３×１０-5Ｐａである。
半導体発光素子（２０）：
半導体発光素子（２０）は、ＭＯＣＶＤ法によってサファイアよりなる基板（２１）上に、水素からなるキャリアガス、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を用い、ＧａＮよりなるバッファ層（２２）を２．４μｍの膜厚で形成させ、次に、窒素からなるキャリアガス、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウム、アンモニアからなる原料ガスを用い、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる量子井戸層（２６）を２．５ｎｍの膜厚で形成させ、ＧａＮよりなる障壁層（２７）を１５ｎｍの膜厚で形成させる工程を繰り返すことによって活性層（２５）が形成されたものであり、活性層（２５）は、量子井戸層（２６）、障壁層（２７）の順で量子井戸層（２６）を６層、障壁層（２７）を６層、交互に積層させた多重量子井戸構造を有するものである。
電子線源（３０）：
支持基板（３１）は、４２６合金よりなり、その外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍである。電子線放出部（３２）は、カーボンナノチューブよりなり、その外径が２４ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、電子線放出部（３２）における電子線が放射される面の面積が１３８ｍｍ2 である。引き出し電極（３５）は、４２合金よりなり、その網目を形成する開口の寸法が１ｍｍ×１ｍｍ、厚みが０．１ｍｍである。
電界制御用電極（４０）：
電界制御用電極（４０）は、３１６ステンレスよりなり、胴部（４１）の内径が３４ｍｍ、胴部（４１）の軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部（４２）の先端における内径が２８ｍｍ、テーパ部（４２）の軸方向の長さが３ｍｍ、胴部（４１）に対するテーパ部（４２）の傾きが４５°、電界制御用電極（４０）を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍであり、電子線源（３０）の電子線放出部（３２）における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部（４２）の先端のレベルとの距離が３ｍｍである。
電子線遮蔽電極（４５）：
電子線遮蔽電極（４５）は、それぞれアルミニウムよりなる複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、金属線の幅が１００μｍ、厚みが２０μｍで、金属線の配置ピッチが１５００μｍである。
図１に示す構成に従い、下記の仕様の電子線励起型光源装置を作製した。
ケーシング（１０）：
ケーシング基体（１１）は、コバールガラスよりなり、その外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３０ｍｍ、肉厚が２．５ｍｍであり、ケーシング基体（１１）の開口が３５ｍｍ×３５ｍｍである。光透過窓（１５）は、サファイアよりなり、その寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２．５ｍｍである。
また、ケーシング（１０）の内部の圧力は、３×１０-5Ｐａである。
半導体発光素子（２０）：
半導体発光素子（２０）は、ＭＯＣＶＤ法によってサファイアよりなる基板（２１）上に、水素からなるキャリアガス、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を用い、ＧａＮよりなるバッファ層（２２）を２．４μｍの膜厚で形成させ、次に、窒素からなるキャリアガス、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウム、アンモニアからなる原料ガスを用い、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる量子井戸層（２６）を２．５ｎｍの膜厚で形成させ、ＧａＮよりなる障壁層（２７）を１５ｎｍの膜厚で形成させる工程を繰り返すことによって活性層（２５）が形成されたものであり、活性層（２５）は、量子井戸層（２６）、障壁層（２７）の順で量子井戸層（２６）を６層、障壁層（２７）を６層、交互に積層させた多重量子井戸構造を有するものである。
電子線源（３０）：
支持基板（３１）は、４２６合金よりなり、その外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍである。電子線放出部（３２）は、カーボンナノチューブよりなり、その外径が２４ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、電子線放出部（３２）における電子線が放射される面の面積が１３８ｍｍ2 である。引き出し電極（３５）は、４２合金よりなり、その網目を形成する開口の寸法が１ｍｍ×１ｍｍ、厚みが０．１ｍｍである。
電界制御用電極（４０）：
電界制御用電極（４０）は、３１６ステンレスよりなり、胴部（４１）の内径が３４ｍｍ、胴部（４１）の軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部（４２）の先端における内径が２８ｍｍ、テーパ部（４２）の軸方向の長さが３ｍｍ、胴部（４１）に対するテーパ部（４２）の傾きが４５°、電界制御用電極（４０）を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍであり、電子線源（３０）の電子線放出部（３２）における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部（４２）の先端のレベルとの距離が３ｍｍである。
電子線遮蔽電極（４５）：
電子線遮蔽電極（４５）は、それぞれアルミニウムよりなる複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、金属線の幅が１００μｍ、厚みが２０μｍで、金属線の配置ピッチが１５００μｍである。
上記の電子線励起型光源装置を下記の条件で点灯させ、受光器および分光器によって、光透過窓から外部に１ｍｍ離間した位置において当該電子線励起型光源装置から放射される光の分光放射強度を測定した。結果を図９に示す。
［点灯条件］
電子線源（３０）における電子線放出部（３２）の電位：−８ｋＶ
電子線源（３０）における引き出し電極（３５）の電位：−５．５ｋＶ
（電子線放出部（３２）と引き出し電極（３５）との間の電圧：２．５ｋＶ）
電界制御用電極（４０）の電位：−９ｋＶ
（電子線放出部（３２）と電界制御用電極（４０）との間の電圧：−１ｋＶ）
電子線遮蔽電極（４５）の電位：−９ｋＶ
半導体発光素子（２０）の電位：０Ｖ（ＧＮＤ）
加速電圧（電子線放出部（３２）と半導体発光素子（２０）との間の電圧）：８ｋＶ
［点灯条件］
電子線源（３０）における電子線放出部（３２）の電位：−８ｋＶ
電子線源（３０）における引き出し電極（３５）の電位：−５．５ｋＶ
（電子線放出部（３２）と引き出し電極（３５）との間の電圧：２．５ｋＶ）
電界制御用電極（４０）の電位：−９ｋＶ
（電子線放出部（３２）と電界制御用電極（４０）との間の電圧：−１ｋＶ）
電子線遮蔽電極（４５）の電位：−９ｋＶ
半導体発光素子（２０）の電位：０Ｖ（ＧＮＤ）
加速電圧（電子線放出部（３２）と半導体発光素子（２０）との間の電圧）：８ｋＶ
〈比較例１〉
実施例１において、電子線遮蔽電極を設けなかったこと以外は同様の構成の電子線励起型光源装置を作製し、当該電子線励起型光源装置から放射される光の分光放射強度を測定した。結果を図９に示す。
実施例１において、電子線遮蔽電極を設けなかったこと以外は同様の構成の電子線励起型光源装置を作製し、当該電子線励起型光源装置から放射される光の分光放射強度を測定した。結果を図９に示す。
図９において、横軸は電子線励起型光源装置から放射される光の波長、縦軸は分光放射強度を示す。この図の結果から明らかなように、実施例１に係る電子線励起型光源装置によれば、波長４０５ｎｍ付近において高い放射強度を有する光が放射されることが確認され、高い発光効率が得られることが理解される。
これに対して比較例１に係る電子線励起型光源装置においては、波長４０５ｎｍ付近において放射強度のピークが弱くなり、波長３３０ｎｍ付近において放射強度のピークが認められた。これは、電子線が光透過窓に照射されることにより、当該光照射窓を構成するサファイア自身が励起されて発光したものと考えられる。
これに対して比較例１に係る電子線励起型光源装置においては、波長４０５ｎｍ付近において放射強度のピークが弱くなり、波長３３０ｎｍ付近において放射強度のピークが認められた。これは、電子線が光透過窓に照射されることにより、当該光照射窓を構成するサファイア自身が励起されて発光したものと考えられる。
１０ ケーシング
１１ ケーシング基体
１５ 光透過窓
１６ 高熱伝導部材
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
２７ 障壁層
３０ 電子線源
３１ 支持基板
３２ 電子線放出部
３３ ベース
３５ 引き出し電極
３６ 電極保持部材
３７ 支持部材
４０ 電界制御用電極
４０ａ 第１の電極部材
４０ｂ 第２の電極部材
４１ 胴部
４２ テーパ部
４５ 電子線遮蔽電極
５０ 電子加速用電源
５１ 電子放出用電源
５２ 電界制御用電源
５３ 電子線遮蔽用電源
８０ ケーシング
８１ 光透過窓
８２ 半導体発光素子
８３，８４ 光反射部材
８５ レーザー構造体
８６ 電子線源
８７ 電子加速用電源
１１ ケーシング基体
１５ 光透過窓
１６ 高熱伝導部材
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
２７ 障壁層
３０ 電子線源
３１ 支持基板
３２ 電子線放出部
３３ ベース
３５ 引き出し電極
３６ 電極保持部材
３７ 支持部材
４０ 電界制御用電極
４０ａ 第１の電極部材
４０ｂ 第２の電極部材
４１ 胴部
４２ テーパ部
４５ 電子線遮蔽電極
５０ 電子加速用電源
５１ 電子放出用電源
５２ 電界制御用電源
５３ 電子線遮蔽用電源
８０ ケーシング
８１ 光透過窓
８２ 半導体発光素子
８３，８４ 光反射部材
８５ レーザー構造体
８６ 電子線源
８７ 電子加速用電源
Claims (4)
- 光透過窓を有するケーシング内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が配置されてなり、前記半導体発光素子の一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、当該半導体発光素子の当該一面から光が放射されて前記光透過窓から出射される電子線励起型光源装置において、
前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極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。 - 前記ケーシング内には、前記電子線源からの電子線の軌道を前記半導体発光素子の一面に向かって指向させる電界制御用電極が設けら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。
- 前記電子線遮蔽電極は、前記電界制御用電極に電気的に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。
- 前記電子線遮蔽電極は、ストライプ状または網状のものであ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電子線励起型光源装置。
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