JP5548204B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、表面プラズモンを利用した半導体多層膜素子を備えた紫外線照射装置に関する。

昨今、小型の紫外線光源の用途は広がりつつあり、例えばＵＶ硬化型インクジェットプリンタへの適用といった新しい技術も開発されている。
紫外線光源としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を用いた紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）が知られており、このような紫外線ＬＥＤにおける、例えば３８０ｎｍ以下の紫外線波長領域での発光を、活性層を構成するアルミニウム（Ａｌ）を含むＧａＮ系化合物半導体におけるＡｌの組成比を変化させることにより、調整することができることが知られている。

しかし、紫外線ＬＥＤは、半導体結晶中の欠陥による非輻射遷移や、活性化エネルギーが高い、例えばＭｇ等のｐ型不純物の存在により低キャリア濃度とならざるを得ないｐ型層が必要とされる構成上、活性層でのキャリアのオーバーフローや抵抗ロスによって、外部量子効率が低くなり、実用的でないとされているのが実情である。

近年、ＬＥＤの発光効率を改善するための１つの手法として、例えば、表面プラズモンポラリトンというエネルギー状態を利用することが新たに提案されており（例えば非特許文献１参照）、例えば、量子井戸構造を有する活性層で発生した励起子（エキシトン）のエネルギーを、銀よりなる金属層と活性層との界面における表面プラズモンに移動させ、これにより生成される表面プラズモンポラリトンの高い状態密度によって、半導体結晶中の欠陥による非輻射遷移を抑制することができて、内部量子効率を向上させること（表面プラズモン効果）が可能となるとされている。

さらにまた、表面プラズモン効果を得るための技術として、例えば、発光層上に形成された半導体層上に、当該半導体層に対するオーミック接触が良好な第一電極層が設けられると共に、この第一電極層上に当該第一電極層よりプラズマ周波数の高い金属を含む凹凸形状による周期的な構造を有する、プラズモン発生層として機能する第二電極層が設けられた構成とされること（特許文献１参照）、あるいは、図１１に示すように、半導体発光素子４０において、活性層４３を含む半導体多層膜とｐ電極４７とにより構成される複数個の柱状体が周期的に形成され、各柱状体の周囲に金属からなるプラズモン発生層４８が埋め込まれた構成とされること（特許文献２参照）などが提案されている。図１１において、符号４１は透明基板、４２はｎ型コンタクト層、４４はオーバーフロー抑制層、４５はｐ型コンタクト層、４９はｎ電極である。

特許第４１３０１６３号公報 特開２００７−２１４２６０号公報

月刊ディスプレイ２００９年２月号別刷 第１０頁〜第１６頁

而して、表面プラズモンを利用したＬＥＤにおいて、紫外線波長領域の発光増強には、プラズモン発生層を構成する金属として、アルミニウムを用いることが好適であることが知られているが、プラズモン発生層をアルミニウムにより構成する場合には、ｐ型電極層構成材料として主として用いられる例えば窒化物半導体や酸化亜鉛などに対して良好なオーミック接触を行うことができない。

また、活性層（発光層）で生成される励起子から表面プラズモンへのエネルギーの移動を効率的に行うためには、活性層（発光層）およびプラズモン発生層の両者の距離が近接していることが必要であるが、特許文献１に記載の技術では、発光層とプラズモン発生層との間にｐ型電極層が必要とされる構造上、発光層とプラズモン発生層との距離が例えば数１００ｎｍ以上離れており、表面プラズモンを利用した発光効率の向上を実現するのは困難であるばかりか、発光層とプラズマ周波数の高い第二金属層（プラズモン発生層）との間に第一電極層が存在するため、表面プラズモンポラリトンを十分に励起することが困難である、という問題がある。

一方、特許文献２の記載の技術では、半導体発光素子を表面プラズモン効果の得られる構成のものとするために、特殊な電極構造を形成することが必要であるため、複雑な製造工程が必要となる、という問題がある。

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、ｐｎ接合を利用しない簡便な構造で、表面プラズモンポラリトンを効率的に利用することができ、特定波長の紫外線を高効率で放射することのできる紫外線照射装置を提供することを目的とする。

本発明の紫外線照射装置は、紫外線透過窓を有する真空封止された容器内に、少なくとも１つ以上の半導体多層膜素子と、当該半導体多層膜素子に電子線を照射する電子線放射源とが配設されてなり、
当該半導体多層膜素子は、Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）による単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する活性層と、当該活性層の上面に形成された、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属粒子からなり、当該金属粒子によるナノ構造を有する金属膜と有してなり、
前記電子線放射源からの電子線が前記半導体多層膜素子に照射されることにより、紫外線が前記紫外線透過窓を介して外部に放射されることを特徴とする。

本発明の紫外線照射装置においては、前記金属膜を構成する金属粒子が下記式（１）で表わされる範囲の粒径を有する構成とされていることが好ましい。

また、本発明の紫外線照射装置においては、前記半導体多層膜素子から放射される紫外線の波長が２２０〜３７０ｎｍの範囲内である構成とすることができる。

さらにまた、本発明の紫外線照射装置においては、前記電子線放射源からの電子線が前記半導体多層膜素子における金属膜に照射される構成とすることができる。

さらにまた、本発明の紫外線照射装置においては、前記半導体多層膜素子が前記紫外線透過窓の内面上に配置されると共に、前記電子線放射源が前記半導体多層膜素子の金属膜と対向して配置された構成とすることができる。

本発明に係る半導体多層膜素子は、活性層において励起された励起子のエネルギーが、活性層と金属膜との界面における表面プラズモンに移動されることによって生ずる表面プラズモンポラリトンを取り出す発光機構を有するものにおいて、比較的大きいエネルギーを投入できる電子線照射によって励起子が生成（励起）される構成とされているので、励起子の生成量を増加させることができると共に活性層でのキャリアのオーバーフローや抵抗ロスによる外部量子効率の低下の問題が生ずることがなく、しかも、表面プラズモンポラリトンの高い状態密度によって、転位などの結晶欠陥による励起子の非発光性再結合の程度が低減されるので、内部量子効率の向上を図ることができる。
また、金属膜を構成する金属粒子によるナノ構造の作用によって、活性層と金属膜との界面における表面プラズモンポラリトンを特定波長の光として取り出すことができるので、半導体多層膜素子の構造の簡素化を図ることができると共に容易に製造することができる。
従って、このような半導体多層膜素子を具えてなる紫外線照射装置によれば、特定波長の紫外線を高い効率で放射することができる。

また、半導体多層膜素子の金属膜を構成する金属粒子が特定の範囲内にある粒径を有することにより、当該金属粒子によるグレイン構造（ナノ構造）の作用によって、金属膜と活性層との界面における表面プラズモンポラリトンの波数を変調して、特定波長の紫外線として確実に取り出すことができるので、高い光取り出し効率を得ることができ、従って、半導体多層膜素子の発光効率を確実に向上させることができる。

本発明の紫外線照射装置の一例における構成の概略を示す断面図である。 本発明の紫外線照射装置に係る半導体多層膜素子の一構成例の概略を示す断面図である。 図２に示す半導体多層膜素子の一部を概略的に示す拡大断面図である。 励起子からＡｌＮ障壁層とＡｌ膜との界面における表面プラズモンへのエネルギー変換効率を示すグラフである。 ＡｌＮ障壁層とＡｌ膜との界面における表面プラズモンポラリトンの分散曲線を示すグラフである。 金属膜を構成する金属粒子によるグレイン構造を示す模式図である。 表面プラズモンポラリトンの分散曲線と、ライトコーン（発光領域）との関係を示す説明図である。 表面プラズモンポラリトンの分散曲線をゾーンフォールディングによってライトコーン内に移動させるためのグレイン構造に必要な金属粒子の粒径の上限値および下限値を示す説明図である。 金属膜におけるグレイン構造のグレインサイズの最適値の波長依存性を示すグラフである。 本発明の紫外線照射装置の他の例における構成の概略を示す説明図であって、（Ａ）断面図、（Ｂ）電子線放射源側から見た平面図である。 従来における表面プラズモンを利用した半導体発光素子の構成を示す斜視図である。

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、本発明の紫外線照射装置の一例における構成の概略を示す断面図、図２は、本発明の紫外線照射装置に係る半導体多層膜素子の一構成例の概略を示す断面図である。
この紫外線照射装置１０は、箱形形状の筐体に形成された開口が紫外線透過窓１２によって気密に閉塞されて内部空間が例えば真空状態で封止された、例えばガラスよりなる真空容器１１を備え、当該真空容器１１内における紫外線透過窓１２の内面上に半導体多層膜素子２０が配設されると共に、半導体多層膜素子２０に対向した位置に、当該半導体多層膜素子２０に電子線を照射する電子線放射源１５が配設されて、構成されている。

電子線放射源１５としては、例えば、円錐形状Ｍｏティ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例示することができる。

半導体多層膜素子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、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する活性層２５と、この活性層２５の一面上に形成された、アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる金属粒子によって構成された金属膜３０とにより構成されている。
この実施例における半導体多層膜素子２０は、金属膜３０が電子線放射源１５に対して露出された状態で、基板２１が紫外線透過窓１２に対してＵＶ硬化性樹脂により接着されて固定されており、従って、電子線放射源１５よりの電子線が、金属膜３０側から照射される構成とされている。

多重量子井戸構造による活性層２５の一構成例を示すと、図３に示すように、各々例えばＡｌＮからなる例えば１０層の障壁層２７と、各々、Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる例えば１０層の量子井戸層２６とが交互に積層され、更に、最上層の量子井戸層２６Ａの一面上に、例えばＡｌＮからなる障壁層２７Ａが積層されて、構成されている。
各々の量子井戸層２６の厚みは、電子線照射により生成される励起子の径と同等またはそれより小さく設定されており、各々の障壁層２７の厚みは、量子井戸層２６の井戸幅より大きく設定されている。
最上層の量子井戸層２６Ａの一面と金属膜３０の他面との距離ｄ、すなわち、最上層の障壁層２７Ａの厚みは、例えば１０〜２０ｎｍであることが好ましい。これにより、活性層２５において生成される励起子から最上層の障壁層２７Ａと金属膜３０との界面Ｂにおける表面プラズモンへのエネルギーの移動が効率よく起こり、表面プラズモンポラリトンを高い効率で生成することができる。
活性層２５を多重量子井戸構造により構成する場合においては、量子井戸層２６の周期は、実際上、例えば１〜１００とされる。

金属膜３０は、後述するように、特定の大きさの粒径（グレインサイズ）を有する金属粒子によるナノ構造（グレイン構造）を有する。
金属膜３０の厚みは、例えば２ｎｍ〜１０μｍであることが好ましい。
また、金属膜３０がアルミニウム合金の金属粒子よりなる場合には、アルミニウムの含有割合が５０％以上であることが好ましく、アルミニウム合金を構成する他の金属としては、例えば銀を例示することができる。

半導体多層膜素子２０の一構成例を示すと、サファイア基板（２１）の厚みが例えば５０μｍ、ＡｌＮバッファ層（２２）の厚みが例えば６００ｎｍ、Ａｌ_0.79Ｇａ_0.21Ｎ量子井戸層（２６）の井戸幅（厚み）が１１ｎｍ、ＡｌＮ障壁層（２７）の厚みが１３．５ｎｍ、量子井戸層２６の周期が１０周期、アルミニウム膜（３０）の厚みが例えば５０ｎｍである。

上記構成の半導体多層膜素子２０の作製方法について説明すると、半導体多層膜素子２０における半導体多層膜は、例えばＭＯＣＶＤ法によって形成することができる。すなわち、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、サファイア基板２１の（０００１）面上に、ＡｌＮからなるバッファ層２２を所定の厚みになるように成長させた後、所定の成長温度（例えば１０００〜１２００℃）および所定の成長圧力（例えば７６Ｔｏｒｒ（１×１０⁴ Ｐａ））に保持した状態で、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、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、バッファ層２２上に、ＡｌＮからなる所定の厚みを有する障壁層２７と、ＡｌＧａＮからなる所定の厚みを有する量子井戸層２６とを交互に成長させることにより、所定の周期の多重量子井戸構造を有する活性層２５を形成し、さらに、最上層の量子井戸層２６Ａ上に、ＡｌＮからなる障壁層２７Ａを所定の厚みになるよう成長させることにより、形成することができる。ここに、ＡｌＮバッファ層２２、ＡｌＮ障壁層２７およびＡｌＧａＮ量子井戸層２６の成長速度、成長温度などの条件は、目的に応じて適宜に設定することができる。
また、量子井戸層２６としてＩｎＡｌＧａＮを成長させる場合は、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、ＡｌＧａＮの成長温度より成長温度を低く設定すればよい。
なお、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法なども用いることができる。

次いで、最上層の障壁層２７Ａの一面上の全面に、後述する粒径範囲にある粒径を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる金属粒子を用い、例えば真空蒸着法により、金属粒子を所定の厚みとなるよう蒸着することにより、金属粒子によるナノ構造を有する金属膜３０を形成し、以て、上記構成の半導体多層膜素子２０を得ることができる。
また、ナノ構造を有する金属膜３０は、粒径の揃った適宜のナノ微粒子を最上層の障壁層２７Ａ上に展開し、その上から金属粒子を蒸着し、その後、アニーリングすることによってナノアイランド構造を作製することにより、得ることもできる。

以下、上記紫外線照射装置１０（半導体多層膜素子２０）の発光機構について説明する。
この紫外線照射装置１０においては、電子線放射源１５よりの電子線ｅ^- が半導体多層膜素子２０に照射されることにより活性層２５において励起子が励起され、当該励起子（電子、正孔）の再結合により活性層２５と金属膜３０との界面Ｂにおける表面プラズモン（以下、「ＳＰ」という。）と結合（励起子からのエネルギーの移動）され、表面プラズモンポラリトン（以下、「ＳＰＰ」という。）が生成される。
そして、当該ＳＰＰの波数が金属膜３０を構成する金属粒子によるナノ構造の作用によって変調されて当該界面Ｂより光として取り出され、波長２２０〜３７０ｎｍの紫外線が紫外線透過窓１２を介して紫外線照射装置外部に放射される。

而して、半導体多層膜素子２０の発光効率を決める因子としては、例えば、（Ａ）励起子が生成される励起子生成効率、（Ｂ）励起子が再結合した際に光になる内部量子効率、および、（Ｃ）生じた光が外部にとりだされる光取り出し効率などがあり、これらの効率を向上させることにより半導体多層膜素子２０の発光効率を向上させることができる。

上記半導体多層膜素子２０においては、上述のように、電子線照射により励起子が生成される構成とされており、ｐｎ接合を利用した電流注入により励起子を励起する構成のものに比して大きなエネルギーを投入することができるので、励起子の生成量を増やすことができる。

次に、上記半導体多層膜素子２０における内部量子効率について説明するが、上記半導体多層膜素子２０は、振動数ω_SPで固有振動するＳＰを生ずるものとする。
先ず、金属膜を有さない構成の試料（半導体多層膜素子）における、時間分解ＰＬ測定などにより測定される発光速度（発光寿命の逆数）ｋ⁰ _PLは、下記式（２）に示すように、輻射再結合寿命ｋ_rad と非輻射再結合寿命ｋ_non の和で表わされる。

このとき、発光の内部量子効率η⁰ は、下記式（３）で与えられる。

一方、金属膜３０が形成された試料（半導体多層膜素子）において、最上層の障壁層２７Ａと金属膜３０の界面ＢにおいてＳＰＰが生成された場合、すなわち、励起子からＳＰへのエネルギーの移動が起こった場合には、時間分解ＰＬ測定などにより測定される発光速度（発光寿命の逆数）ｋ^* _PLは、下記式（４）に示すように、励起子からＳＰへのエネルギーの移動速度ｋ_SPC の分だけ大きくなる、換言すれば、発光寿命は、励起子からＳＰへのエネルギーの移動速度ｋ_SPC の分だけ短くなる。

励起子からＳＰへのエネルギーの移動（再結合発光）によってＳＰＰが生成される効率（励起子−ＳＰＰエネルギー変換効率）η′は、下記式（５）で示される。

ここで、最上層の障壁層２７Ａと金属膜３０との界面Ｂに沿って伝播するＳＰＰが当該界面より光として放射される（取り出される）効率（ＳＰＰ−フォトンエネルギー変換効率）η″は、ＳＰＰから光放出される速度ｋ_ext とダンピングによってロスする速度ｋ_lossを用いて、下記式（６）により示される。

従って、ＳＰＰの作用によって増強された、最終的な内部量子効率η^* は、下記式（７）に示すように、輻射再結合に係る内部量子効率と、ＳＰＰからの発光に係る内部量子効率との和により示される。

上記式（７）において、ｋ_ext やｋ_lossは、フェムト秒（ｆｓ）領域でおこる現象で、ナノ秒（ｎｓ）領域でおこるｋ_rad やｋ_non とでは、時間スケールが大きく異なるため、ＳＰＰからの発光に係る内部量子効率は、単に、上記式（６）により示されるＳＰＰ−フォトンエネルギー変換効率η″と、励起子からＳＰへのエネルギーの移動速度ｋ_SPC との積として表わすことができる。

一方、励起子からＳＰへのエネルギーの移動速度ｋ_SPC は、フェルミの黄金律によって、下記式（８）により示される。

また、励起子からＳＰへのエネルギーの移動速度ｋ_SPC は、もともとの励起子の輻射再結合寿命ｋ_rad が、生成されるＳＰＰの高い状態密度によって増幅されると考えた場合、増幅係数Ｆは下記式（９）のように定義することができ、励起子からＳＰへのエネルギーの移動速度ｋ_SPC が分散曲線の傾き（ｄｋ_x ／ｄω）に比例することから、増幅係数Ｆは、分散曲線の傾き（ｄｋ_x ／ｄω）に比例すると考えられる。

従って、上記式（４）、式（５）および式（９）より、励起子−ＳＰＰエネルギー変換効率η′は、活性層の発光寿命ｋ^* _PLと増幅係数（増幅率）Ｆとによって決まる。

以上において、活性層２５の発光寿命ｋ^* _PLを１ｎｓ、内部量子効率を１０％と仮定したときの一例について、励起子−ＳＰＰエネルギー変換効率η′を算出したところ、図４に示すように、波長２２０ｎｍ以上の紫外域において、励起子からＳＰへのエネルギーの移動が効率的に起こり、励起子−ＳＰＰエネルギー変換効率η′が高くなることを示している。このことは、励起子のエネルギーがＳＰに移動されることで、結晶欠陥に起因する非輻射遷移（結晶欠陥による励起子（電子または正孔）が補足されることによる消滅または非発光性再結合）によるロスが低減され、これにより、内部量子効率が向上されることを示している。

次いで、上記半導体多層膜素子２０における光取り出し効率について説明する。
例えば、ＡｌＮ障壁層２７とアルミニウム膜３０との界面Ｂにおいて生成されるＳＰＰは、図５に示すように、その分散曲線（図５において実線で示す。）が、ＡｌとＡｌＮの誘電関数から算出されるＳＰ振動数（図５において点線で示す。）より低エネルギー側に存在し、破線で示すライトラインとは交わらない傾向を有するため、ＡｌＮ障壁層２７Ａとアルミニウム膜３０との界面Ｂより光として取り出すためには、ＳＰＰの波数を変調する必要がある。ここに、ＡｌＮ障壁層２７Ａとアルミニウム膜３０との界面ＢでのＳＰ振動数（ω_SP）は、波長２２０ｎｍの光に相当する振動数であって、図５においては、ＳＰＰの波数を変調、具体的には小さくすることにより、２２０ｎｍより長波長の紫外線領域、特に、波長２２０〜３７０ｎｍの紫外線領域においてＳＰＰを有効に利用できること（表面プラズモン効果が得られること）が示されている。

上記半導体多層膜素子２０においては、上述したように、金属膜３０は、当該金属膜３０を構成する金属粒子によるナノ構造、具体的には、図６に示すように、金属膜３０の表面（界面）に、金属粒子の結晶粒Ｇの各々のグレインサイズが適正な大きさに調整された多結晶によるグレイン構造を有しており、当該グレイン構造により、ＡｌＮ障壁層２７Ａと金属膜３０との界面Ｂで生成されたＳＰＰの波数を変調することができる。

ここに、グレインサイズ（金属粒子の粒径）ａは、各々の結晶粒Ｇについて、結晶粒Ｇを２本の平行線で挟んだときの当該平行線の間隔が最大となる大きさを最大粒径、最小となる大きさを最小粒径と定義するが、特に言及する場合を除いて、「粒径」とは、最大粒径および最小粒径の両方を意味するものとする。つまり、後述の金属粒子の粒径について規定される範囲は、金属粒子の最大粒径ａ_max および最小粒径ａ_min が共に特定の関係を満足することを意味する。
グレインサイズは、走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡等で確認することができる。

例えば、ＡｌＮ障壁層２７Ａとアルミニウム膜３０との界面Ｂに沿って伝播するＳＰＰを当該界面Ｂから光として取り出すため、すなわち、ＳＰＰからフォトンへのエネルギー変換が起こるのに必要とされるグレイン構造を形成するためには、金属膜３０を構成する金属粒子が上記式（１）を満足する粒径（グレインサイズ）ａを有することが好ましい。

上記式（１）により規定される金属粒子の粒径ａの範囲は、次のようにして設定されるものである。
すなわち、図７に示すように、ライトコーン（発光領域）Ｌｃの外側領域に位置されるＳＰＰの分散曲線を、グレインサイズａの金属粒子によるグレイン構造の作用によるゾーンフォールディングによって波数π／ａの位置で折り返すことにより、波数ｋ_SPの位置αがライトコーンＬｃの内側領域の波数を有する位置βに移動されるよう波数変調するとき（Δｋｘ＝２π／ａ）、グレインサイズａの上限値ａ_max および下限値ａ_min は、図８に基づいて、下記式（１０）により示される。

ここで、ＳＰＰの分散曲線上のライトコーンＬｃの外側領域の位置αにおける波数ｋ_SP、および、ライトコーンＬｃの境界位置（ω＝ｃｋｘにより示される直線上の位置）の波数ｋ_l は、下記式（１１）により示される。

従って、グレインサイズの上限値ａ_max および下限値ａ_min は、上記式（１０）および式（１１）より、ω＝２πｃ／λの関係を利用して波長λを用いた表現で書き換えると、下記式（１２）により示される。

そして、金属膜３０がアルミニウムよりなる構成のものにおいて、グレイン構造により散乱されるＳＰＰからＡｌＮ障壁層２７Ａの表面において全反射されずに外部に取り出せる範囲（ＡｌＮ障壁層２７Ａの表面に対する角度）の光（フォトン）へのエネルギー変換が起こるのに必要とされるグレイン構造を形成するための金属粒子の粒径ａ′〔ｎｍ〕の範囲は、下記式（１３）により示される。

上記式（１３）は次のようにして導出される。すなわち、ＡｌＮ障壁層２７Ａとアルミニウム膜３０との界面ＢにおけるＳＰＰが当該界面ＢよりＡｌＮ障壁層２７Ａの表面に対して角度±θの光として放出されるとすると、ＳＰＰの分散曲線上のライトコーンＬｃの外側領域の位置αにおける波数ｋ_SPは、下記式（１４）により示される。

ここで、全反射条件から、光をＡｌＮ層から空気中に取り出せる限界の角度は、ｓｉｎθ＝ｎ_air ／ｎ_AlN であるので、グレインサイズの上限値ａ′_max および下限値ａ′_min は、上記式（１４）より、ω＝２πc ／λの関係を利用して波長λを用いた表現で書き換えると、下記式（１５）が得られる。

金属粒子の粒径ａ_mid が下記式（１６）により示される大きさである場合には、当該粒径ａ_mid は、ＳＰＰの波数ｋｘがゾーンフォールディングで折り返されて０になるグレインサイズ、すなわち、ＳＰＰが光として垂直方向に放出される中心グレインサイズであり、ＳＰＰからフォトンへのエネルギー変換が最も高い効率で起こることになる。

以上のことから、ＳＰＰからフォトンへのエネルギー変換が起こるのに必要とされるグレイン構造を形成するための金属粒子の粒径範囲についての波長依存性をまとめると、図９に示すように、少なくとも上記式（１）により規定される粒径範囲（一点鎖線により示されるａ_max 曲線およびａ_min 曲線により囲まれた領域Ｉ）の金属粒子によるナノ構造を形成することにより、ある特定波長についての光取り出し効率を向上させることができ、金属膜３０をアルミニウムにより構成する場合には、上記式（１３）により規定される粒径範囲（破線により示されるａ′_max 曲線およびａ′_min 曲線により囲まれた領域II）のアルミニウム粒子によるナノ構造を形成することにより、ある特定波長についての光取り出し効率を向上させることができ、実線で示される曲線の粒径ａ_mid を有する金属粒子によるナノ構造を形成することにより、最も高い光取り出し効率を得ることができる。

以上において、金属膜３０のグレイン構造におけるグレインサイズの調整は、例えば、金属膜３０を形成するに際しての蒸着速度を調整することにより行うことができる。

而して、上記構成の半導体多層膜素子２０によれば、活性層２５において励起された励起子のエネルギーが、ＡｌＮ障壁層２７Ａと金属膜３０との界面ＢにおけるＳＰに移動されることによって生ずるＳＰＰを取り出す発光機構を有するものにおいて、比較的大きいエネルギーを投入できる電子線照射によって励起子が生成（励起）される構成とされているので、励起子の生成量を増加させることができると共に活性層２５でのキャリアのオーバーフローや抵抗ロスによる外部量子効率の低下の問題が生ずることがなく、しかも、ＳＰＰの高い状態密度によって、転位などの結晶欠陥による励起子の非発光性再結合の程度が低減されるので、内部量子効率の向上を図ることができる。
また、金属膜３０を構成する金属粒子によるナノ構造の作用によって、ＡｌＮ障壁層２７Ａと金属膜３０との界面ＢにおけるＳＰＰを、波長２２０〜３７０ｎｍの紫外線として取り出すことができ、従って、半導体多層膜素子２０は高い発光効率を有するものとなる。
従って、このような半導体多層膜素子２０を具えてなる紫外線照射装置１０によれば、特定波長の紫外線を高い効率で放射することができる。

また、半導体多層膜素子２０の金属膜３０を構成する金属粒子が特定の範囲内にある粒径ａを有することにより、当該金属粒子によるグレイン構造（ナノ構造）の作用によって、ＡｌＮ障壁層２７Ａと金属膜３０との界面ＢにおけるＳＰＰの波数を変調して、波長２２０〜３７０ｎｍの紫外線として確実に取り出すことができるので、高い光取り出し効率を得ることができ、従って、半導体多層膜素子２０の発光効率を確実に向上させることができる。

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。
図１〜図３に示す構成に従って、電子線放射源としてスピント型エミッターを用いると共に、上記において例示した構成（段落００２６参照）の半導体多層膜素子（寸法；１×１×０．５ｍｍ）を用いて、本発明に係る紫外線照射装置を作製し、電子線を１０ｍＡ／ｃｍ² の電子線量で半導体多層膜素子に照射したところ、波長２５０ｎｍの紫外線についての発光強度が、金属膜を有さないことの他は同一の構造を有する半導体多層膜素子の発光強度の約２倍程度に増強されて放射されることが確認された。

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、プラズモン発生層としての金属膜は、（純）アルミニウム膜に限定されるものではなく、例えば、アルミニウムと銀の合金よりなるアルミニウム合金膜により構成することができる。このような構成の金属膜によれば、銀はアルミニウムよりもプラズマ振動数が低いものであるので、ＡｌＮ障壁層とアルミニウム合金膜との界面での表面プラズモン振動数（ＳＰ振動数）を、アルミニウム膜に係るＳＰ振動数に比して低い波長に相当するエネルギーに変調することができ、従って、金属膜が純アルミニウム膜により構成された半導体多層膜素子において増強される発光波長より長波長領域の紫外線について、高い発光効率を得ることができる。

上記実施例においては、電子線放射源が半導体多層膜素子における金属膜に対して対向配置されて電子線が金属膜側から入射される構成のものについて説明したが、金属膜が形成された面とは反対側の面（基板側）から電子線が入射される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、半導体多層膜素子における光取り出し面と電子線入射面とが一致することになる。

また、本発明の紫外線照射装置においては、複数個の半導体多層膜素子が配設された構成とすることができる。
具体的には、例えば、図１に示す構成の紫外線照射装置において、発光波長が２５０ｎｍである半導体多層膜素子と、発光波長が３１０ｎｍである半導体多層膜素子の、互いに発光波長の異なる２つの半導体多層膜素子を電子線放射源に対して並べて配置した構成とすることができる。ここに、上記において例示した構成の半導体多層膜素子において、量子井戸層をＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎにより井戸幅（厚み）が２ｎｍとなる状態で構成することにより、発光波長３１０ｎｍの半導体多層膜素子を得ることができる。
このような構成のものにおいては、アルミニウム膜の界面において、Ａｌのグレインサイズが例えば１００〜１５０ｎｍになるグレイン構造を形成することにより、波長２５０ｎｍおよび波長３１０ｎｍのいずれの波長の紫外線についても、ＳＰＰからフォトンへの変換効率を向上させることができる。
また、例えば、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数個、例えば２４個の半導体多層膜素子２０が電子線放射源１５に対して並列配置され、すべての半導体多層膜素子２０に共通の電子線放射源１５により電子線が照射される構成とすることもできる。このような構成のものにおいては、半導体多層膜素子２０として、例えば互いに発光波長の異なるものが用いられることにより、複数のピーク波長（λ１、λ２、λ３、・・・）が得られる紫外線照射装置１０を得ることができる。

１０ 紫外線照射装置
１１ 真空容器
１２ 紫外線透過窓
１５ 電子線放射源
２０ 半導体多層膜素子
２１ 基板（サファイア基板）
２２ バッファ層（ＡｌＮバッファ層）
２５ 活性層
２６ 量子井戸層（ＡｌＧａＮ量子井戸層）
２６Ａ 最上層の量子井戸層
２７ 障壁層（ＡｌＮ障壁層）
２７Ａ 最上層の障壁層
３０ 金属膜（アルミニウム膜）
４０ 半導体発光素子
４１ 透明基板
４２ ｎ型コンタクト層
４３ 活性層
４４ オーバーフロー抑制層
４５ ｐ型コンタクト層
４７ ｐ電極
４８ プラズモン発生層
４９ ｎ電極
Ｇ 結晶粒
Ｂ 界面
Ｌｃ ライトコーン

Claims (5)

1. 紫外線透過窓を有する真空封止された容器内に、少なくとも１つ以上の半導体多層膜素子と、当該半導体多層膜素子に電子線を照射する電子線放射源とが配設されてなり、
   当該半導体多層膜素子は、Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）による単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する活性層と、当該活性層の上面に形成された、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属粒子からなり、当該金属粒子によるナノ構造を有する金属膜と有してなり、
   前記電子線放射源からの電子線が前記半導体多層膜素子に照射されることにより、紫外線が前記紫外線透過窓を介して外部に放射されることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記金属膜を構成する金属粒子が下記式（１）で表わされる範囲の粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
   

   
3. 前記半導体多層膜素子から放射される紫外線の波長が２２０〜３７０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の紫外線照射装置。
4. 前記電子線放射源からの電子線が前記半導体多層膜素子における金属膜に照射され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紫外線照射装置。
5. 前記半導体多層膜素子が前記紫外線透過窓の内面上に配置されていると共に、前記電子線放射源が前記半導体多層膜素子の金属膜と対向して配置されてい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紫外線照射装置。

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