JP5736736B2

JP5736736B2 - 電子線励起型光源

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Publication number: JP5736736B2
Application number: JP2010251684A
Authority: JP
Inventors: 研片岡; 真典山口; 前岨　剛; 剛前岨; 寛之高田; 博成羽田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP2012104643A

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励起される半導体発光素子とを備えてなる電子線励起型光源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７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を有する真空容器８０を具え、この真空容器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、当該真空容器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、真空容器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手段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を負極として電圧を印加することによって、当該電子線源８６から電子が放出され、この放出された電子は、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。

しかしながら、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、電子線源８６に印加される電圧を高くすることなどが考えられる。然るに、電子線の加速電圧を高くすると、半導体発光素子８２からＸ線が発生する、という問題があり、また、電子線源８６に印加される電圧を高くすると、電子線源８６が発熱にして早期に故障が生じる、という問題がある。

このような問題を解決するため、電子銃によって半導体発光素子の一面に対してその斜めの方向から電子線を入射することにより、当該半導体発光素子における電子線が入射された一面から光が出射される電子線励起型光源が提案されている（特許文献２参照。）。この電子線励起型光源によれば、半導体発光素子をその裏面から効率よく冷却することが可能であるため、半導体発光素子を効率よく冷却することができ、従って、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。
しかしながら、このような電子線励起型光源においては、半導体発光素子への電子線照射に電子銃を用いるため、電子線を半導体発光素子の一面に均一に照射することができない、すなわち半導体発光素子の一面に電子線が局所的に集中して照射されるので、当該半導体発光素子に早期に劣化が生じる、という問題がある。

特許３６６７１８８号公報特開平０９−２１４０２７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、その目的は、半導体発光素子の一面に高い効率で電子線を照射することができ、電子線源に印加される電圧を高くすることなしに高い光の出力が得られ、しかも、半導体発光素子を効率よく冷却することができる電子線励起型光源を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の目的に加えて、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電子線励起型光源を提供することにある。

本発明の電子線励起型光源は、電子線源と、電子加速手段と、前記電子線源から放射され、前記電子加速手段による加速電圧によって加速された電子線によって励起される半導体発光素子とを備えてなる電子線励起型光源において、
前記電子線源は、面状の電子線放出部を有し、当該電子線放出部における電子線が放射される面の面積が、前記半導体発光素子における電子線が入射される面の面積より大きく、当該電子線放出部から放射される電子の放射量が２５ｍＡ／ｃｍ² 以下であり、
前記半導体発光素子における前記電子線源からの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。

本発明の電子線励起型光源においては、前記電子線放出部は、カーボンナノチューブにより構成されていることが好ましい。
また、前記電子線源は、前記半導体発光素子を取り囲むよう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によれば、電子線源が面状の電子線放出部を有することにより、十分な量の電子線を半導体発光素子の一面に均一に照射することができると共に、電子線放出部から放射される電子の放射量が２５ｍＡ／ｃｍ²以下であるため、電子線源に印加される電圧を高くすることなしに高い光の出力が得られる。また、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一面から光が放射されるため、半導体発光素子の他面から当該半導体発光素子を冷却することが可能であり、従って、半導体発光素子を効率よく冷却することができるので、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。
また、電子線放出部における電子線が放射される面の面積が、前記半導体発光素子における電子線が入射される面の面積より大きいことにより、電子線放出部から放射された電子線は、その電子密度が半導体発光素子に入射されるときに高いものとなるため、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。

本発明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。第１の実施の形態に係る電子線励起型光源における半導体発光素子の構成を示す説明用断面図である。第１の実施の形態に係る電子線励起型光源における電子線源の構成を示す説明用断面図である。半導体発光素子における電子線が入射される表面の面積Ｓ₁に対する電子線放出部における電子線が放射される表面の面積Ｓ₂の比Ｓ₂／Ｓ₁と、１Ｗの光の出力を得るために必要な加速電圧との関係を示すグラフである。本発明の電子線励起型光源の他の例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。本発明の電子線励起型光源の更に他の例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。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。

図１は、本発明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は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状の真空容器１０を有し、この真空容器１０は、一面（図１（イ）において上面）に開口を有する容器基体１１と、この容器基体１１の開口に配置されて当該容器基体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。

真空容器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３２ａが真空容器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を介して真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。半導体発光素子２０および電子線源３０は、真空容器１０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手段５０に、半導体発光素子２０が正極、電子線源３０が負極となるよう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、真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。

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、真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。電子線源３０および電界制御用電極４０は、真空容器１０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１０の外部に設けられた電界制御用電源５２に、電子線源３０が正極、電界制御用電極４０が負極となるよう電気的に接続されている。

真空容器１０における容器基体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を用いることができる。
また、真空容器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、真空容器１０の内部の圧力は、例えば１０^-4〜１０^-6Ｐａである。
真空容器１０の寸法の一例を挙げると、容器基体１１の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍ、容器基体１１の肉厚が２ｍｍ、容器基体１１の開口が３６ｍｍ×３６ｍｍで、光透過窓１５の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍ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が真空容器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。
また、半導体発光素子２０における光が出射される表面２０ａの面積は、例えば１〜４０ｍｍ²である。

活性層２５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。

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。

図３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における電子線が放射される表面３２ａ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、真空容器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、真空容器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。

電子線放出部３２における電子線が放射される表面３２ａの面積は、半導体発光素子２０における電子線が入射される表面２０ａの面積より大きいことが好ましい。具体的には、半導体発光素子２０における電子線が入射される表面２０ａの面積をＳ₁とし、電子線放出部３２における電子線が放射される表面３２ａの面積をＳ₂としたとき、比Ｓ₂／Ｓ₁が６以上であることが好ましく、より好ましくは１０〜３０である。

図４は、電子線放出部３２から放射される電子の放射量が１０ｍＡ／ｃｍ²、半導体発光素子２０の電力効率が２０％の条件で、電子線源３０から半導体発光素子２０に電子線を照射した場合において、比Ｓ₂／Ｓ₁と１Ｗの光の出力を得るために必要な加速電圧との関係を示すグラフである。この図から明らかなように、１Ｗの光の出力を得るために必要な加速電圧は、比Ｓ₂／Ｓ₁に反比例しており、半導体発光素子２０の表面２０ａの面積Ｓ₁に対する電子線放出部３２の表面３２ａの面積Ｓ₂の比Ｓ₂／Ｓ₁が大きい程、加速電圧を低く設定することができる。これは、電子線放出部３２から放射された電子線の電子密度が、半導体発光素子２０の表面２０ａに入射されるときに、比Ｓ₂／Ｓ₁に比例して高くなるためであると考えられる。

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である。

上記の電子線励起型光源においては、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、この電子線の軌道が、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って、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、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。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、真空容器１０における光透過窓１５を介して当該真空容器１０の外部に出射される。

以上において、電子線放出部３２から放射される電子の放射量は２５ｍＡ／ｃｍ²以下とされ、好ましくは１〜１５ｍＡ／ｃｍ²、より好ましくは５〜１０ｍＡ／ｃｍ²とされる。電子の放射量が２５ｍＡ／ｃｍ²を超える場合には、電子線源３０に印加される電圧を相当に高くすることが必要となり、その結果、電子線源３０が発熱にして早期に故障が生じる、という問題が生じる。また、電子線の放射量が過小である場合には、半導体発光素子２０の表面２０ａに十分な量の電子線が照射されず、高い光の出力を得ることが困難となることがある。

また、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、１〜５ｋＶであることが好ましい。この電圧が過小である場合には、電子線放出部３２から放射される電子線の電子密度が小さく、高い光の出力を得ることが困難となることがある。一方、この電圧が過大である場合には、電子線源３０が発熱にして早期に故障が生じるおそれがある。
また、電子加速手段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、電子線放出部３２から放出される電子が十分に加速されず、高い光の出力を得ることが困難となることがある。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によれば、電子線源３０が面状の電子線放出部３２を有することにより、十分な量の電子線を半導体発光素子の一面に均一に照射することができると共に、電子線放出部３２から放射される電子の放射量が２５ｍＡ／ｃｍ²以下であるため、電子線源３０に印加される電圧を高くすることなしに高い光の出力が得られる。また、半導体発光素子２０における電子線源３０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から高熱伝導部材１６を介して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が維持される。
また、電子線放出部３２における電子線が放射される表面３２ａの面積が、半導体発光素子２０における電子線が入射される表面２０ａの面積より大きいことにより、電子線放出部３２から放射された電子線は、その電子密度が半導体発光素子２０の表面２０ａに入射されるときに高いものとなるため、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。

以上、本発明の電子線励起型光源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においては、電子線源は、面状の電子線放射部を有するものであれば、その具体的な形状は特に限定されない。また、電子線源の配置位置は、半導体発光素子における光が出射される表面に電子線を入射することができる位置であれば、特に限定されない。
例えば図５に示すように、それぞれ部分円環状の帯状体よりなる複数（図示の例では４つ）の電子線源３０が、その電子線放出部３２における電子線が放射される表面３２ａが真空容器１０の光透過窓１５を向いた姿勢で、半導体発光素子２０を中心とする円に沿って当該半導体発光素子２０を取り囲むよう配置されていてもよい。
また、図６に示すように、それぞれ矩形の板状の２つの電子線源３０が、容器基体１１における互いに対向する２つの側壁の内面に固定されることにより、当該半導体発光素子２０を挟んだ位置において電子線放出部３２が互いに対向するよう配置されていてもよい。
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、面状であれば種々の構成のものを用いることができる。

１０真空容器
１１容器基体
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
３２ａ表面
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
４１胴部
４２テーパ部
５０電子加速手段
５１電子線放出用電源
５２電界制御用電源
８０真空容器
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電子加速手段

Claims

電子線源と、電子加速手段と、前記電子線源から放射され、前記電子加速手段による加速電圧によって加速された電子線によって励起される半導体発光素子とを備えてなる電子線励起型光源において、
前記電子線源は、面状の電子線放出部を有し、当該電子線放出部における電子線が放射される面の面積が、前記半導体発光素子における電子線が入射される面の面積より大きく、当該電子線放出部から放射される電子の放射量が２５ｍＡ／ｃｍ² 以下であり、
前記半導体発光素子における前記電子線源からの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電子線励起型光源。
前記半導体発光素子における電子線が入射される表面の面積Ｓ ₁ と、前記電子線放出部における電子線が放射される表面の面積Ｓ ₂ との比Ｓ ₂ ／Ｓ ₁ の値が６以上であ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。
前記電子線放出部は、カーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子線励起型光源。
前記電子線源は、前記半導体発光素子を取り囲むよう配置されてい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。