JP5700325B2 - 紫外線発生用ターゲットおよび電子線励起紫外光源 - Google Patents

Description

本発明は、電子線を受けて紫外線を発生する紫外線発生用ターゲット、および電子線励起紫外光源に関するものである。

従来、紫外光源として、水銀キセノンランプや重水素ランプ等の電子管が用いられてきたが、発光効率が低く、大型であり、また安定性や寿命の点で課題が残っている。

一方、電子線励起紫外光源は、高い安定性を生かした光計測分野や、低消費電力性を生かした殺菌や消毒用、あるいは高い波長選択性を利用した医療用光源やバイオ化学用光源として期待されている。電子線励起紫外光源は、紫外線発生用ターゲットおよび電子源を備えており、電子源から出射された電子がターゲットに照射されると、ターゲット内部で紫外線が励起するものである。

電子線励起紫外光源は、水銀ランプなどよりも低消費電力であるため、ランニングコストの低減も可能となる。更に、従来の発光ダイオード等では、深紫外波長領域の紫外線が得られていないが、電子線励起紫外光源では、かかる領域、特に、主に３００ｎｍよりも短波長側の紫外線発光が期待されている。

そして、ＡｌＧａＮ層を紫外線発生用ターゲットとした電子線励起紫外光源では、ターゲットのＡｌとＧａの組成比を変更することで、紫外線波長を２００〜３６０ｎｍの範囲で変更することができる。単一組成の化合物によって励起される紫外線の帯域は狭いため、電子線励起紫外光源では、必要な波長をフィルター無しに得ることも可能であり、電子線励起紫外光源から大面積で均一な発光出力を得ることも可能である。

なお、特許文献１には、上記のような電子線励起発光素子が開示されている。

特開平１０−３２１９５５号公報

しかしながら、電子線励起紫外光源においても、紫外線発生効率の更なる向上が求められる。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、紫外線発生効率を向上可能な紫外線発生用ターゲットおよび電子線励起紫外光源を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による第１の紫外線発生用ターゲットは、電子線を受けて紫外線を発生する化合物半導体層と、化合物半導体層から発生する紫外線の波長に対して透過特性を有し、化合物半導体層を支持する基板と、基板とは反対側の化合物半導体層の表面上に設けられた電極とを備え、電子線は電極を透過して化合物半導体層に入射し、化合物半導体層において発生した紫外線は基板を透過して出射され、化合物半導体層がＡｌ、Ｇａ及びＮを組成中に含んでおり、化合物半導体層には不純物がドープされていることを特徴とする。

本発明者らの研究によって、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含む化合物半導体層に不純物をドープすると、不純物をドープしない場合と比較して発光強度が格段に向上することがわかった。すなわち、この第１の紫外線発生用ターゲットによれば、従来のものと比較して紫外線発生効率を更に向上させることができる。

また、第１の紫外線発生用ターゲットは、不純物が、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＯからなる元素群の中から選択される少なくとも一つの元素であることを特徴としてもよい。これにより、紫外線発生効率を効果的に向上させることができる。

また、第１の紫外線発生用ターゲットは、化合物半導体層におけるキャリア密度が６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上２×１０^１８（ｃｍ^−３）以下であることを特徴としてもよい。キャリア密度がこの範囲内であることによって、紫外線発生効率を効果的に向上させることができる。

また、本発明による第２の紫外線発生用ターゲットは、電子線を受けて紫外線を発生する化合物半導体層と、化合物半導体層から発生する紫外線の波長に対して透過特性を有し、化合物半導体層を支持する基板と、基板とは反対側の化合物半導体層の表面上に設けられた電極とを備え、電子線は電極を透過して化合物半導体層に入射し、化合物半導体層において発生した紫外線は基板を透過して出射され、化合物半導体層がＡｌ、Ｇａ及びＮを組成中に含んでおり、化合物半導体層にはＳｉがドープされていることを特徴とする。

本発明者らの研究によって、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含む化合物半導体層にＳｉをドープすると、Ｓｉをドープしない場合と比較して発光強度が格段に向上することがわかった。すなわち、この第２の紫外線発生用ターゲットによれば、従来のものと比較して紫外線発生効率を更に向上させることができる。

また、第２の紫外線発生用ターゲットは、化合物半導体層におけるキャリア密度が６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上２×１０^１８（ｃｍ^−３）以下であることを特徴としてもよい。キャリア密度がこの範囲内であることによって、紫外線発生効率を効果的に向上させることができる。

また、第２の紫外線発生用ターゲットは、化合物半導体層におけるＳｉドープ濃度が６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上１．３×１０^１８（ｃｍ^−３）以下であることを特徴としてもよい。Ｓｉドープ濃度がこの範囲内であることによって、紫外線発生効率を効果的に向上させることができる。

また、本発明による電子線励起紫外光源は、上記したいずれかの紫外線発生用ターゲットと、紫外線発生用ターゲットに電子線を与える電子源とを備えることを特徴とする。この電子線励起紫外光源によれば、上記したいずれかの紫外線発生用ターゲットを備えることによって、紫外線発生効率を向上させることができる。

本発明による紫外線発生用ターゲットおよび電子線励起紫外光源によれば、紫外線発生効率を更に向上できる。

紫外線発生用ターゲットの積層構造を示す図である。 電子線励起紫外光源の概略構成を示す図である。 発光層を製造する際のタイムチャートを示すグラフである。 発光層にＳｉがドープされた紫外線発生用ターゲット、および比較例として、発光層にＳｉがドープされていない紫外線発生用ターゲットそれぞれの深紫外発光スペクトルの評価結果を示すグラフである。 ＡｌＧａＮ発光層の成長時にＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量を様々な値に設定した場合における、深紫外発光スペクトルの評価結果を示すグラフである。 ＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量と、深紫外発光スペクトルのピーク強度との関係をプロットしたグラフである。 深紫外発光スペクトルの評価に使用した紫外線発生用ターゲットのホール測定結果より導出されたキャリア密度とＣＨ_３ＳｉＨ_３流量との関係、および移動度とＣＨ_３ＳｉＨ_３流量との関係を示すグラフである。 図６および図７から得られる、深紫外発光スペクトルのピーク強度とキャリア密度との関係をプロットしたグラフである。 深紫外発光スペクトルのピーク強度とＳｉドープ濃度との関係をプロットしたグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明による紫外線発生用ターゲットおよび電子線励起紫外光源の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る紫外線発生用ターゲットの縦断面図である。この紫外線発生用ターゲット１０は、基板１上に、順次成長したバッファ層２及び発光層３を備えており、発光層３上にはメタルバック電極４が形成されている。なお、発光層３は本実施形態における化合物半導体層である。バッファ層２は、窒化物系の化合物半導体、例えばＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（但し０＜Ｘ≦１）からなる。発光層３は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを組成中に含む化合物半導体、例えばＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（但し０＜Ｙ＜１，Ｘ＞Ｙ）からなる。Ａｌ組成比Ｙの好適な値は、例えば０．６（組成比６０％）である。基板１は、バッファ層２及び発光層３をエピタキシャル成長させ得るものであればよく、例えばサファイア基板が好適である。メタルバック電極４は、例えばＡｌからなる。基板１の厚さは例えば４３０（μｍ）であり、バッファ層２及び発光層３の厚さは例えばそれぞれ１（μｍ）である。

発光層３には、不純物が実質的にドープされている。この不純物は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＯからなる元素群の中から選択される少なくとも一つの元素であり、好ましくはＳｉである。発光層３の不純物ドープによるキャリア密度は、後述する実施例のように、６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上２×１０^１８（ｃｍ^−３）以下であることが好ましい。また、不純物がＳｉである場合、発光層３のＳｉドープ濃度は、後述する実施例のように、６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上１．３×１０^１８（ｃｍ^−３）以下であることが好ましい。

メタルバック電極４を透過して、発光層３に電子線ＥＢが入射すると、発光層３内で紫外線が発生する。発光層３のＡｌ組成比Ｙの値が０．６（組成比６０％）である場合、中心波長２５０（ｎｍ）、波長半値幅１０（ｎｍ）の紫外線が発生する。発生した紫外線ＵＶは、バッファ層２及び基板１を順次介して、紫外線発生用ターゲット１０の外部へ出射される。電子線ＥＢの加速エネルギーは、例えば１０（ｋｅＶ）に設定される。なお、メタルバック電極４の厚さは、電子が十分に透過できる厚さより薄いことが好ましく、加速電圧にもよるが、例えば１００（ｎｍ）以下（本例では２０（ｎｍ））である。また、発光層３は、好適にはメタルバック電極４を透過して侵入する電子線を完全に吸収できる厚さ（厚さは電子線の加速電圧に依存）に設定される。

なお、ＡｌＧａＮにおいては、Ａｌ組成比が増加するほど、エネルギーバンドギャップは大きくなる。すなわち、バッファ層２は、発光層３のエネルギーバンドギャップ以上の大きさのエネルギーバンドギャップを有している。また、サファイアのエネルギーバンドギャップは上記要素の中で最も大きい。この構造の場合、発光層３で発生した紫外線は、バッファ層２および基板１においては殆ど吸収されないため、紫外線が減衰することなく外部に出力される。

また、好適にはＡｌＮからなるバッファ層２は、結晶欠陥の少ない高品質なＡｌＧａＮ層を基板１上に成長させるために設けられる。なお、予め形成されたバッファ層２上に、その結晶性の改善を目的として、同一組成の化合物半導体層（例えばＡｌＮ）をエピタキシャル成長させ、これを新たなバッファ層２としてもよい。この場合には、さらに良好な結晶性を有する発光層３をバッファ層２上に成長させることができる。

サファイアからなる基板１は、バッファ層２および発光層３の支持基板として機能し、且つ、紫外線ＵＶを透過させる機能を有している。本実施形態では基板１をサファイアとしたが、基板１は、その上部にＡｌＮまたはＡｌＧａＮを形成でき、当該紫外線の波長に対して透過特性を有する他の種類の基板であっても良いし、基板１およびバッファ層２に代えてＡｌＮ基板やＡｌＧａＮ基板を用いることもできる。

メタルバック電極４は、好適にはＡｌを発光層３の表面に蒸着して形成される薄膜であり、チャージアップを抑制するための導電性の薄膜として機能する。また、メタルバック電極４は、発光層３内で発生した紫外発光成分で電子線入射側に伝播する成分を反射するという機能を併せ持っている。

図２は、上述した紫外線発生用ターゲット１０を備えた電子線励起紫外光源２０の構成を示す図である。この電子線励起紫外光源２０においては、真空排気されたガラス容器（電子管）１１の中に、電子源１２およびグリッド状引き出し電極１３が配置されている。容器１１の電子源１２が配置されていない側の面には、紫外線発生用ターゲット１０が配置されている。紫外線発生用ターゲット１０のメタルバック電極４を接地し、負の高電圧を電源１５から電子源１２に印加し、電子源１２とグリッド状引き出し電極１３との間に、可変電源１４から適当な引き出し電圧を印加することで、電子源１２から、高電圧で加速された電子線ＥＢを、紫外線発生用ターゲット１０に照射することができる。
電子線ＥＢは、メタルバック電極４を透過して、発光層３に到達する。電子線照射の際に発光層３で発生する紫外線ＵＶは、バッファ層２およびサファイア基板１を介して外部へ出射される。電子源１２は、大面積の電子線を出射する電子源（例えばカーボンナノチューブ等の冷陰極、或いは熱陰極）を用いることができる。

本実施形態の紫外線発生用ターゲット１０は、基板１上に、バッファ層２および発光層３を例えば減圧ＭＯＶＰＥ法を用いて順次成長させ、その後、メタルバック電極４を発光層３上に形成することによって製造することができる。なお、ＡｌＧａＮのＭＯＶＰＥ法は確立されており、成長チャンバ内に基板を配置し、基板温度を反応が生じる温度まで昇温し、キャリアガス（Ｈ_２又はＮ_２）と共に原料ガスＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ_３を成長チャンバ内に供給する。また、このとき、ドーパントであるＳｉの原料となるメチルシラン（ＣＨ_３ＳｉＨ_３）を成長チャンバ内に同時に供給する。原料ガスＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ_３およびＣＨ_３ＳｉＨ_３は、基板表面に供給されるので、表面上にＳｉドープＡｌＧａＮ層が成長する。

発光層３の具体的な成長方法について説明する。図３は、実施例に係る発光層３を製造する際のタイムチャートを示すグラフである。

まず、ＡｌＮ層付サファイア基板を用意する。このＡｌＮ層付サファイア基板は、ＡｌＮからなるバッファ層２が予め形成された基板１であり、ＡｌＮ層の表面は（０００１）面であることが望ましい。このＡｌＮ層付サファイア基板を成長チャンバ内で１１９０℃に加熱し、原料ガスを供給する。原料ガスを供給する際、原料ガスのＴＭＧ流量は、目的とするＡｌ組成比が６０％となるように、２５ｓｃｃｍ（６０．２２μｍｏｌ／ｍｉｎ）一定とする。ＴＭＡの流量は１５ｓｃｃｍ（９．０９μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量は０〜５ｓｃｃｍ（０〜２．２５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＮＨ_３の流量は１５００ｓｃｃｍとする。なお、ｓｃｃｍは、１気圧、室温（２５℃）下で規格化された流量（ｃｍ^３／ｍｉｎ）である。

製造条件は、以下の通りである。
・成長温度：１１９０℃
・成長チャンバ内圧力：５０Ｔｏｒｒ（６．７×１０^３Ｐａ）
・昇温時のキャリアガス：Ｎ_２
・昇温時に供給される原料ガス：ＮＨ_３
・成長開始時刻：昇温完了時
・成長時間：１３６分
・成長時に供給されるキャリアガス：Ｈ_２
・成長時に供給される原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＣＨ_３ＳｉＨ_３
・成長終了時刻：降温開始時
・降温初期（基板温度３００℃以上の期間）のキャリアガス：Ｎ_２
・降温初期に供給される原料ガス：ＮＨ_３
・降温後期（基板温度が３００℃未満になった場合）のキャリアガス：Ｈ_２

図４は、この製造方法においてＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量を０．６７（ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）として製造された紫外線発生用ターゲット１０、および比較例として、上記製造方法においてＳｉをドープしない場合それぞれの深紫外発光スペクトルの評価結果を示すグラフである。なお、図４において、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は相対強度（任意単位）である。グラフＧ１１はＡｌＧａＮ発光層にＳｉをドープした場合を示しており、グラフＧ１２はＡｌＧａＮ発光層にＳｉをドープしない場合を示している。図４に示すように、ＡｌＧａＮ発光層にＳｉをドープすると（グラフＧ１１）、Ｓｉをドープしない場合（グラフＧ１２）と比較して深紫外発光強度が約一桁（１０倍）向上する。

図５は、ＡｌＧａＮ発光層の成長時にＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量を様々な値に設定した場合における、深紫外発光スペクトルの評価結果を示すグラフである。図５において、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は相対強度（任意単位）である。図５のグラフＧ２１〜Ｇ２７それぞれのＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量は以下の通りである（単位は全てｎｍｏｌ／ｍｉｎ）。
グラフＧ２１：０．２２
グラフＧ２２：０．４５
グラフＧ２３：０．６７（図４のグラフＧ１１と同じ）
グラフＧ２４：０．８９
グラフＧ２５：１．３５
グラフＧ２６：２．２５
グラフＧ２７：ノンドープ（図４のグラフＧ１２と同じ）

また、図６は、これらのＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量と、深紫外発光スペクトルのピーク強度との関係をプロットしたグラフである。図６において、横軸はＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量（単位：ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）であり、縦軸はピーク強度（任意単位）である。

図５および図６から明らかなように、ＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量すなわちＳｉのドーパント濃度が変化すると、深紫外発光強度も変化する。そして、０．４（ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）以上０．７５（ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）以下の範囲で深紫外発光強度が格段に高くなり、これよりＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量を増すと深紫外発光強度は逆に低下する結果となった。

図７は、上述した深紫外発光スペクトルの評価に使用した紫外線発生用ターゲット１０のホール測定結果より導出されたキャリア密度とＣＨ_３ＳｉＨ_３流量との関係、および移動度とＣＨ_３ＳｉＨ_３流量との関係を示すグラフである。図７において、横軸はＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量（単位：ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）を示しており、左側の縦軸はキャリア密度（単位：ｃｍ^−３）を示しており、右側の縦軸は移動度（単位：ｃｍ^２／Ｖ／ｓｅｃ）を示している。また、グラフＧ３１はキャリア密度とＣＨ_３ＳｉＨ_３流量との関係（左側の縦軸）を示しており、グラフＧ３２は移動度とＣＨ_３ＳｉＨ_３流量との関係（右側の縦軸）を示している。

また、図８は、図６および図７から得られる、深紫外発光スペクトルのピーク強度とキャリア密度との関係をプロットしたグラフである。図８において、横軸はキャリア密度（単位：ｃｍ^−３）であり、縦軸はピーク強度（任意単位）である。図８から明らかなように、キャリア密度が６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上２×１０^１８（ｃｍ^−３）以下の範囲（図中の範囲Ａ）においては、深紫外発光スペクトルのピーク強度がＳｉをドープしない場合より高くなる。この効果は、ＡｌＧａＮ発光層にＳｉをドープすることにより得られたものである。

図７に示すキャリア密度と移動度の積は導電率に比例し、導電率がピークとなるＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量は深紫外発光スペクトルのピーク強度が得られるＣＨ_３ＳｉＨ_３の流量がほぼ一致するため、Ｓｉドープにより、ＡｌＧａＮ発光層の導電率が向上し、ＡｌＧａＮ発光層内部のチャージアップを抑制し、深紫外発光スペクトルのピーク強度が向上したと思われる。

図９は、上述した深紫外発光スペクトルの評価に使用した紫外線発生用ターゲット１０のＳＩＭＳ測定結果より導出されたＳｉドープ濃度と深紫外発光スペクトルのピーク強度との関係を示すグラフである。図９において、横軸はＳｉドープ濃度（単位：ｃｍ^−３）であり、縦軸はピーク強度（任意単位）である。図９から明らかなように、Ｓｉドープ濃度が６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上１．３×１０^１８（ｃｍ^−３）以下の範囲（図中の範囲Ｃ）においては、深紫外発光スペクトルのピーク強度がＳｉをドープしない場合より高くなる。この効果は、ＡｌＧａＮ発光層にＳｉをドープすることにより得られたものである。

このようにＳｉドープの場合には深紫外発光スペクトルピーク強度のキャリア密度依存性（図８）とＳｉドープ濃度依存性（図９）は良好な一致を示し、これはＳｉドープ濃度に対応したキャリアが形成されていることを示している。

ここではＳｉをした場合について説明したが、ＡｌＧａＮ発光層にはＳｉ以外の他の不純物（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｇｅ、Ｏ等、またはそれらの組み合わせ）をドープして導電性を向上させてもよい。

以上に説明したように、本実施形態の紫外線発生用ターゲット１０によれば、発光層３がＡｌ、Ｇａ及びＮを組成中に含み、且つ発光層３にＳｉ等の不純物がドープされていることによって、Ｓｉ等の不純物をドープしない場合と比較して発光強度が格段に向上する。すなわち、この紫外線発生用ターゲット１０によれば、従来のものと比較して紫外線発生効率を更に向上させることができる。また、図２に示した電子線励起紫外光源２０は、この紫外線発生用ターゲット１０を備えることによって、紫外線発生効率を向上できる。

本発明による紫外線発生用ターゲットおよび電子線励起紫外光源は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、発光層３がＡｌＧａＮからなる場合を例示したが、本発明における化合物半導体層は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを組成中に含んでいれば他の元素を更に含んでもよい。

１…基板、２…バッファ層、３…発光層、４…メタルバック電極、１０…紫外線発生用ターゲット、１１…容器、１２…電子源、１３…電極、１４…可変電源、１５…電源、２０…電子線励起紫外光源、ＥＢ…電子線、ＵＶ…紫外線。

Claims (2)

1. 電子線を受けて紫外線を発生する化合物半導体層と、
   前記化合物半導体層から発生する前記紫外線の波長に対して透過特性を有し、前記化合物半導体層を支持する基板と、
   前記基板とは反対側の前記化合物半導体層の表面上に設けられたメタルバック電極と、
   前記化合物半導体層から発生する前記紫外線の波長に対して透過特性を有し、前記基板と前記化合物半導体層との間に設けられたＡｌ _Ｘ Ｇａ _１−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）からなるバッファ層と、
   を備え、
   前記電子線は前記メタルバック電極を透過して前記化合物半導体層に入射し、前記化合物半導体層において発生した前記紫外線は前記バッファ層及び前記基板を透過して出射され、
   前記化合物半導体層が前記バッファ層上においてエピタキシャル成長により形成されたＡｌ _Ｙ Ｇａ _１−Ｙ Ｎ（０＜Ｙ＜１，Ｘ＞Ｙ）結晶からなり、
   前記化合物半導体層にはＳｉがドープされており、
   前記化合物半導体層におけるキャリア密度が６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上２×１０^１８（ｃｍ^−３）以下であり、
   前記化合物半導体層におけるＳｉドープ濃度が６×１０^１６（ｃｍ^−３）以上１．３×１０^１８（ｃｍ^−３）以下であることを特徴とする、紫外線発生用ターゲット。
2. 請求項１に記載の紫外線発生用ターゲットと、
   前記紫外線発生用ターゲットに電子線を与える電子源とを備えることを特徴とする、電子線励起紫外光源。