JP6553361B2

JP6553361B2 - 紫外光源

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Publication number: JP6553361B2
Application number: JP2015006324A
Authority: JP
Inventors: 加藤　裕幸; 裕幸加藤; 和史田中; 松本　貴裕; 貴裕松本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-01-16
Also published as: JP2016132691A

Description

本発明は、紫外発光材料、及び、紫外光源に関する。

電子線励起真空紫外発光測定装置用の校正用標準試料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）結晶を用いることが知られている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１の記載によれば、電融法で育成した酸化マグネシウム単結晶に電子線を照射することにより、波長が１７０ｎｍ〜２００ｎｍの発光が得られる。

しかし電子線励起で得られるＭｇＯ結晶からの発光は、光源として利用するには発光強度が微弱である。

特開２０１１−２３２２４２号公報

本発明の目的は、新規な構成を有する紫外発光材料、及び、紫外光源を提供することである。

更に、本発明の他の観点によれば、電子線を放出する電子線放出部と、前記電子線放出部から放出された電子線が入射する位置に配置された（ｉ）岩塩構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ（０＜ｘ＜０．５５）単結晶で形成された井戸層と、岩塩構造のＭｇ_１−ｗＺｎ_ｗＯ（０≦ｗ＜０．４５、ｗ＜ｘ）単結晶で形成された障壁層とを備える量子井戸構造を有する発光層、または、（ｉｉ）岩塩構造のＢｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯ（０．５≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．５）単結晶で形成された井戸層と障壁層とを備える量子井戸構造を有する発光層とを有する紫外光源が提供される。

本発明によれば、新規な構成を有する紫外発光材料、及び、紫外光源を提供することができる。

図１Ａ〜図１Ｃは、実験に使用したサンプルの断面を示す概略図である。図２は、ＭｇＯ基板５１、ＭｇＺｎＯ層５２、及び、量子井戸層５３のＲＨＥＥＤ像である。図３Ａ〜図３Ｃは、順にサンプル１のＭｇＺｎＯ層５２、サンプル２の量子井戸層５３、サンプル３の量子井戸層５３のＸＲＤパターンを示すグラフである。図４は、サンプル２の量子井戸層５３断面のＴＥＭ像、及び、サンプル２の量子井戸層５３のＥＤＸを用いた分析結果である。図５Ａは、サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２、及び、サンプル２、３の量子井戸層５３からのＣＬスペクトルを示すグラフであり、図５Ｂは、ＣＬスペクトルのピーク波長と半値幅をまとめた表である。図６Ａは、バンドギャップエネルギー及びＣＬピークエネルギーのＺｎ組成ｘ依存性を示すグラフであり、図６Ｂは、Ｚｎ組成ｘとＣＬピークエネルギーＥ_ｐｅａｋの関係を示す数値データを示す表である。図７Ａ及び図７Ｂは、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、及び、ＣａＯの格子定数とバンドギャップエネルギーを示すグラフ及び表である。図８Ａ及び図８Ｂは、第１実施例による紫外光源を示す概略的な断面図である。図９Ａ〜図９Ｃは、それぞれ電子線源１５として、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、ナノダイヤモンドを利用した場合の概略図である。図１０は、第２実施例による紫外光源を示す概略的な断面図である。図１１は、基板材料の物性を示す表である。

本願発明者の行った実験について説明する。なお、以下の実験においては、結晶製造方法として分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy; MBE)法を用いる。

図１Ａ〜図１Ｃは、実験に使用したサンプルの断面を示す概略図である。

図１Ａにサンプル１の断面を示す。サンプル１は、ＭｇＯ（１００）基板５１、及びＭｇＯ基板５１上に形成されたＭｇＺｎＯ層５２を含んで構成される。

図１Ｂにサンプル２及びサンプル３の断面を示す。サンプル２及び３は、ＭｇＯ（１００）基板５１、及びＭｇＯ基板５１上に形成された量子井戸層５３を含んで構成される。

図１Ｃに、量子井戸層５３の断面を示す。量子井戸層５３は、ＭｇＯ障壁層５３ｂとＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗが、交互に積層された構造を有する。サンプル２とサンプル３は、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗの厚さが異なる。

サンプル１〜３は、ＭＢＥチャンバ内で、ＭｇＯ基板５１に９００℃、３０分間のサーマルクリーニングを施した後、基板５１温度を３００℃まで下げ、基板５１上にＭｇＺｎＯ層５２または量子井戸層５３を形成することにより作製した。

サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２は、ＭｇＯ（１００）基板５１上に、成長温度３００℃で、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＯラジカルをそれぞれ分子線で同時に供給し、厚さ約２００ｎｍに成長した。Ｍｇビーム量（Ｍｇフラックス）を１．２Å／ｓｅｃ、Ｚｎビーム量（Ｚｎフラックス）を３．８Å／ｓｅｃ、Ｏラジカルビーム照射条件をＲＦパワー３００Ｗ、Ｏ_２流量２．０ｓｃｃｍとした。

サンプル２及び３の量子井戸層５３は、ＭｇＯ（１００）基板５１上に、成長温度３００℃で、Ｍｇ及びＯラジカルをそれぞれ分子線で供給してＭｇＯ障壁層５３ｂを、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＯラジカルをそれぞれ分子線で供給してＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗを、交互に成長して形成した。Ｍｇビーム量を１．２Å／ｓｅｃ、Ｚｎビーム量を３．８Å／ｓｅｃ、Ｏラジカルビーム照射条件をＲＦパワー３００Ｗ、Ｏ_２流量２．０ｓｃｃｍとした。

サンプル２の量子井戸層５３形成においては、ＭｇＯ障壁層５３ｂの成長時間を２７０ｓｅｃ、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗの成長時間を１２０ｓｅｃとし、この順に１５層ずつ交互に成長した後、最表面にＭｇＯ障壁層５３ｂを成長時間２７０ｓｅｃで成長した。

サンプル３の量子井戸層５３形成においては、ＭｇＯ障壁層５３ｂの成長時間を２７０ｓｅｃ、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗの成長時間を２７ｓｅｃとし、この順に１５層ずつ交互に成長した後、最表面にＭｇＯ障壁層５３ｂを成長時間２７０ｓｅｃで成長した。

図２に、ＭｇＯ基板５１、ＭｇＺｎＯ層５２、及び、量子井戸層５３の反射高速電子回折(reflection high energy electron diffraction; RHEED)像を示す。図２には上段から順に、ＭｇＯ基板５１表面、サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２表面、サンプル２の量子井戸層５３表面、サンプル３の量子井戸層５３表面のＲＨＥＥＤパターンを示した。左欄は［１００］方向、右欄は［１１０］方向から電子線を入射した場合の像である。なお、結晶が２次元成長し表面が平坦なエピタキシャル成長（単結晶成長）である場合、ＲＨＥＥＤ像はストリークパターンを示し、結晶が３次元成長し表面が平坦でないエピタキシャル成長（単結晶成長）の場合、ＲＨＥＥＤ像はスポットパターンを示す。多結晶成長の場合は、ＲＨＥＥＤ像がリングパターンとなる。

ＭｇＯ基板５１だけでなく、本図に示すすべてのＲＨＥＥＤ像がストリークパターンを示している。このことから、サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２、及び、サンプル２、３の量子井戸層５３もＭｇＯ基板５１に対して、平坦性の高い２次元成長によるエピタキシャル成長をしていることがわかる。すなわち、サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２、及び、サンプル２、３の量子井戸層５３は、ＭｇＯの結晶構造である岩塩構造（立方晶）を保持して成長していることがわかる。なおＭｇＯが岩塩構造であるのに対し、ＺｎＯはウルツ鉱構造（六方晶）である。

図３Ａ〜図３Ｃは、順にサンプル１のＭｇＺｎＯ層５２、サンプル２の量子井戸層５３、サンプル３の量子井戸層５３のＸ線回折(X-ray diffraction; XRD)パターンを示すグラフである。

図３Ａを参照する。サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２の回折ピークは、ＭｇＯ基板の低角側に観測された。Ｚｎが入ることにより、格子定数が大きくなることがわかる。このＸＲＤパターンをシミュレーション解析した結果、サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２のＺｎ組成は１８％（Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ表記においてｘ＝０．１８）であることがわかった。

図３Ｂ及び図３Ｃを参照する。サンプル２及び３の量子井戸層５３においては、ＭｇＯ基板の低角側に０次の回折ピークが観測され、更に、サテライトピークが明瞭に観測されている。良好な界面を有する積層構造が形成されていることが示唆される。

ＸＲＤパターンのシミュレーション解析を行ったところ、サンプル２の量子井戸層５３（図３Ｂ参照）においては、ＭｇＯ障壁層５３ｂの厚さが１２．１ｎｍ、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗの厚さが６．１ｎｍ、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗのＺｎ組成が１８％（Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ表記においてｘ＝０．１８）という結果が得られた。

また、サンプル３の量子井戸層５３（図３Ｃ参照）においては、ＭｇＯ障壁層５３ｂの厚さが１２．５ｎｍ、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗの厚さが１．５ｎｍ、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗのＺｎ組成が１９％（Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ表記においてｘ＝０．１９）という結果が得られた。

図４に、サンプル２の量子井戸層５３断面の透過型電子顕微鏡(transmission electron microscope; TEM)像、及び、サンプル２の量子井戸層５３のエネルギー分散型Ｘ線分光法(energy dispersive X-ray spectroscopy; EDX)を用いた分析結果を示す。

ＴＥＭ像（図４左側）を参照する。界面が良好な積層構造が明瞭に観測される。ＴＥＭ像中の色の濃い部分がＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗ、色の薄い部分がＭｇＯ障壁層５３ｂである。このＴＥＭ像から見積もられる層厚は、ＭｇＯ障壁層５３ｂが１０．５ｎｍ、ＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗが７．１ｎｍであった。

ＴＥＭ−ＥＤＸによるＭｇＺｎＯ井戸層５３ｗのＺｎ組成ｘ分析結果（図４右側）を参照する。３箇所で測定を行い、ｘ＝０．１８４、ｘ＝０．１６７、ｘ＝０．１６９という結果を得た。平均すると、ｘ＝０．１７３となる。ＸＲＤパターンのシミュレーション解析で得られた値（ｘ＝０．１８）と近い値が得られた。

図５Ａは、サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２、及び、サンプル２、３の量子井戸層５３からのＣＬ(cathodeluminescence)スペクトルを示すグラフであり、図５Ｂは、ＣＬスペクトルのピーク波長と半値幅をまとめた表である。

図５Ａのグラフから明らかなように、サンプル２、３の量子井戸層５３からの発光は、サンプル１のＭｇＺｎＯ層５２（単膜）からの発光に比べ、強度が高い。量子井戸構造とすることで、発光強度を著しく向上させられることがわかる。

図５Ｂの表もあわせて参照すると、サンプル２、３の量子井戸層５３においては、発光強度の増加の他に、発光ピーク波長の短波化、及び、半値幅の減少が観測される。閉じ込め効果が現れているものと考えられる。

図６Ａに、バンドギャップエネルギー及びＣＬピークエネルギーのＺｎ組成ｘ依存性を示す。ＲＳは岩塩構造(rocksalt)、ＷＺはウルツ鉱構造(wurtzite)を表す。またバンドギャップエネルギーを実線で示し、円形、菱形のプロットで、それぞれ岩塩構造Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯのＣＬピークエネルギー、ウルツ鉱構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯのＰＬピークエネルギーを示す。なお円形及び菱形のプロットは、本願発明者らがＺｎ組成ｘを変化させて行った実験により得られたものであるが、バンドギャップエネルギーを示す実線は、公知の資料(Semicond. Sci. Technol. 20 (2005) “Pulsed laser deposition of thin films and superlattices based on ZnO”by Akira Ohtomo and Atsushi Tsukazaki の Figure 8)に基づいて作成したものである。本願発明者らの実験で得られた数値データ（岩塩構造Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯのＺｎ組成ｘとＣＬピークエネルギーＥ_ｐｅａｋの関係を示す数値データ）を、図６Ｂに示す。

Ｚｎ組成ｘの増加に伴い、バンドギャップエネルギーは小さくなる。すなわち、量子井戸構造を形成する際は、障壁層より井戸層のＺｎ組成ｘを高くすることで、キャリアを閉じ込めることが可能となる。なお、サンプル２、３の量子井戸層５３においては、障壁層５３ｂは、ｘ＝０の岩塩構造Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯで形成され、井戸層５３ｗは、０＜ｘの岩塩構造Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯで形成されている。

本願発明者らが、最小二乗法を用いて２次の近似式を求めたところ、岩塩構造（ＲＳ）Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯのバンドギャップエネルギーｙ（実線で図示）は、以下の式（１）
で与えられ、岩塩構造（ＲＳ）Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯのＣＬピークエネルギーｙ（点線で図示する、円形プロットの近似式）は、以下の式（２）
で与えられることがわかった。

図６Ａから明らかなように、ウルツ鉱構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ結晶においては、ＰＬピークエネルギーとバンドギャップエネルギーの値がほぼ一致している。これに対し、岩塩構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ結晶においては、ＣＬピークエネルギーとバンドギャップエネルギーに大きな乖離がある。これはＭｇＺｎＯ層のＣＬ発光のオリジンが、バンド端発光ではなく、Ｚｎによる等電子トラップによる発光であるためと考えられる。

本願発明者らは、Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ結晶のＺｎ組成ｘを変化させて行った実験の中で、ＭｇＺｎＯは、ＭｇＯに比べ、発光強度が著しく高いという知見を得ている。等電子トラップを利用した発光であるために、不純物レベルの微量のＺｎ添加から組成レベルのＺｎ添加まで高効率の発光に寄与し、ＭｇＯ結晶に比べ、発光強度が格段に増加したものと考えられる。

式（１）、（２）より、Ｚｎ組成ｘが０．５５以上となる範囲においては、ＣＬピークエネルギーとバンドギャップエネルギーがほぼ等しくなると予測される。すなわち、０．５５≦ｘであるＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ結晶においては、Ｚｎは等電子トラップではなく、組成としてのみ働くものと考えられる。したがって、ＭｇＺｎＯ結晶においてＺｎの等電子トラップを利用した高効率の発光を得るためには、Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯのＺｎ組成ｘが、０＜ｘ＜０．５５である必要があるであろう。このとき、岩塩構造を有するＭｇＯ結晶にＺｎが添加されたＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ（０＜ｘ＜０．５５）結晶は、バンドギャップエネルギーより０．１ｅＶ以上小さいエネルギー、たとえば０．１ｅＶ〜１．４ｅＶ程度、低エネルギー側で発光すると考えられる。

ＭｇＯ障壁層と岩塩構造のＭｇＺｎＯ井戸層を積層して形成した量子井戸層においても、Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ井戸層のＺｎ組成ｘを、０＜ｘ＜０．５５とすることで、高効率の発光が得られると考えられる。

また上述したように、障壁層より井戸層のＺｎ組成を高くすることで、キャリアを閉じ込めることが可能となるため、障壁層はＭｇＯに限られず、岩塩構造のＭｇ_１−ｗＺｎ_ｗＯ（０≦ｗ＜０．４５、ｗ＜ｘ）とすることができる。障壁層のＺｎ組成ｗを０．４５未満とするのは、井戸層とのエネルギー差を少なくとも３００ｍｅＶ以上確保するためである。たとえば障壁層のＺｎ組成が０．４５、井戸層のＺｎ組成が０．５５のとき、バンドギャップエネルギーは、式（１）より、それぞれ５．２６９ｅＶ、４．９６８ｅＶとなり、エネルギー差は約３００ｍｅＶである。

なお、本願発明者らの行った他の実験によれば、０＜ｘ＜０．５５のＺｎ組成範囲において、電子線励起により、Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ結晶から、ピーク波長１９０ｎｍ〜２６０ｎｍの発光が可能となる。また発光スペクトルの裾を勘案すると、波長１８０ｎｍ〜２８０ｎｍの発光が得られる。ここで発光波長はＺｎ組成ｘにより制御可能であり、たとえばｘが増加すると発光波長は長波化する。

岩塩構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ（０＜ｘ＜０．５５）で井戸層が、岩塩構造のＭｇ_１−ｗＺｎ_ｗＯ（０≦ｗ＜０．４５、ｗ＜ｘ）で障壁層が形成された量子井戸構造の発光層においても、電子線励起により、ピーク波長１９０ｎｍ〜２６０ｎｍの発光が、また発光スペクトルの裾を勘案すると、波長１８０ｎｍ〜２８０ｎｍの発光（真空紫外〜深紫外領域の発光）が得られるであろう。

岩塩構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ（０＜ｘ＜０．５５）単結晶で形成された井戸層と、岩塩構造のＭｇ_１−ｗＺｎ_ｗＯ（０≦ｗ＜０．４５、ｗ＜ｘ）単結晶で形成された障壁層が交互に積層された量子井戸構造は、たとえばＭｇＺｎＯ単膜に比べて発光強度の強い、真空紫外〜深紫外領域の発光を行う紫外線発光材料として用いることができる。

更に、サンプル２、３においては、Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ結晶を用いた量子井戸構造を形成したが、ＭｇＯ結晶をベースに、Ｚｎ以外のＩＩ族元素、たとえばＢｅ、Ｃａなどが含まれていてもよい。

図７Ａ及び図７Ｂに、ＩＩ族酸化物（ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣａＯ）の格子定数とバンドギャップエネルギーを示す。図７Ａは、格子定数を横軸に、バンドギャップエネルギーを縦軸にとった座標上に、図７Ｂの表の値をプロットしたものである。なお本来、ＭｇＯ及びＣａＯは岩塩構造（ＲＳ）を、ＢｅＯ及びＺｎＯはウルツ鉱構造（ＷＺ）を有している。このため図７Ａ、図７Ｂにおいて、ＲＳ−ＢｅＯ、ＲＳ−ＺｎＯ、及びＷＺ−ＭｇＯに関する値は理論値である。

たとえば図７Ａを参照すると、ＲＳ−ＭｇＯを中心に、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅのうち、少なくとも１種類の元素が添加されることにより、バンドギャップを大きく変化させられることがわかる。また２種類以上を添加した混晶とすることにより、格子定数を合わせた格子整合性のコヒーレントな結晶成長が可能となる。

結晶構造として岩塩構造を維持するためには、Ｍｇ組成が５０％以上であることが望ましい。すなわち、組成式Ｂｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯにおいて、０．５≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．５であることが好ましい。組成は、格子定数やバンドギャップにより、この範囲で任意に変更可能である。

岩塩構造を有するＭｇＯに、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａのうちの少なくとも１つの元素が添加された、岩塩構造のＢｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯ（０．５≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．５）単結晶で形成された井戸層と障壁層が交互に積層された量子井戸構造は、発光強度の高い、真空紫外〜深紫外領域の発光を行う紫外線発光材料として用いることができる。

この量子井戸構造においては、たとえば井戸層をＢｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯ（０．５≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．５）単結晶で形成し、障壁層をＢｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯ（０．６≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．４）単結晶で形成する。井戸層と障壁層の組成は、キャリア（電子）を閉じ込めて効率よく発光させるため、井戸層と障壁層とのエネルギー差を確保するように調整するためである。

図８Ａ及び図８Ｂは、第１実施例による紫外光源を示す概略的な断面図である。第１実施例による紫外光源は、パネル状光源である。

図８Ａに示すように、第１実施例による紫外光源は、ＭｇＯ基板１１、ＭｇＯ基板１１上に形成された量子井戸層１２、及び、量子井戸層１２上に形成されたアノード電極１３を含んで構成される。

量子井戸層１２は、たとえば岩塩構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ（０＜ｘ＜０．５５）単結晶で形成された井戸層と、岩塩構造のＭｇ_１−ｗＺｎ_ｗＯ（０≦ｗ＜０．４５、ｗ＜ｘ）単結晶で形成された障壁層が交互に積層された量子井戸層である。量子井戸層１２は、発光層として機能する。量子井戸層１２の厚さは、たとえば５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。アノード電極１３は、たとえば厚さ５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度のＡｌで形成される。第１実施例による紫外光源においては、量子井戸層１２のアノード電極１３側から電子線を照射し、量子井戸層１２のＣＬ発光（真空紫外〜深紫外発光）をＭｇＯ基板１１側から得る。

図８Ｂを参照する。第１実施例による紫外光源においては、カソード電極１４が、アノード電極１３に対向して配置され、カソード電極１４上（アノード電極１３に対向する面上）に、電子線源１５が配置される。また、カソード電極１４側（電子線源１５近傍）にゲート電極１６が配置される。アノード電極１３とカソード電極１４との間にはスペーサ１７が配置され、これによって量子井戸層１２と電子線源１５とを、たとえば１ｍｍ〜３ｍｍ隔てる空間が画定される。空間は、真空排気されている。アノード電極１３、カソード電極１４、電子線源１５、及びゲート電極１６を含んで、電子（電子線）放出部が構成される。

電極１３、１４に正負の電圧を印加した状態で、電子線源１５とゲート電極１６との間に電位差を生じさせ、電界放出によって電子線源１５から電子（電子線）を放出させる（冷陰極方式）。放出された電子（電界電子１８）はアノード電極１３側に進行し、量子井戸層１２に入射する。電子線放出部から放出された電子線が照射されることで、量子井戸層１２から発光が生じる（ＣＬ発光）。たとえば波長１８０ｎｍ〜２８０ｎｍの発光であり、ＭｇＺｎＯ単膜からのそれに比べ、強度が著しく高い発光である。

電子線源１５としては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノウォール（ＣＮＷ）、ナノダイヤモンド（ＮＤ）、Ｆｅなどの金属を内包したメタル内包カーボン、Ａｌ：ＺｎＯウィスカーの先端にアモルファス炭素系膜を成膜したウィスカーなどを利用可能である。

図９Ａ〜図９Ｃは、それぞれ電子線源１５として、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、ナノダイヤモンドを利用した場合の概略図である。

図９Ａに示すように、先端径が数ｎｍ〜１００ｎｍ程度の配向処理されたカーボンナノチューブを用いたエミッタとすることができる。先端からエミッションする。

図９Ｂに示すように、厚さ数ｎｍ〜数十ｎｍの壁状に成長したナノカーボン（カーボンナノウォール）を用いてもよい。カーボンナノチューブと同様に、先端からエミッションする。

図９Ｃに示すように、数μｍの膜厚を有し、数百ｎｍピッチで窪みを備えるナノダイヤモンド膜を用いたエミッタとすることも可能である。グラファイトとダイヤモンドが混在した構成を有する点、先端が鋭利ではない点等から、形状劣化によるエミッション特性の変化が少ない。

たとえば図９Ａ〜図９Ｃに示すカーボン系材料による冷陰極タイプの電子線源は、ウェット法、転写法、ＣＶＤ法などで作製可能である。

図１０は、第２実施例による紫外光源を示す概略的な断面図である。第２実施例による紫外光源は、たとえば特開２０１２−１９９１７４号公報に記載のあるような管球タイプの光源である。

第２実施例による紫外光源においては、ＭｇＯ基板１１、ＭｇＯ基板１１上に形成された量子井戸層１２、グラファイトナノ針状ロッドよりなる電子放出源２５、及び、静電レンズ２６が、ガラス管２７及びアノード電極１３にステムピンを用いて真空封止される。静電レンズ２６は、円筒状金属よりなり、電子放出源２５から放出される電子線を量子井戸層１２上にフォーカスさせる機能を有する。直流電源２８は、アノード電極１３と電子放出源２５との間に、電子から見て低いポテンシャルとなる直流電圧を印加し、直流電源２９は、電子放出源２５と静電レンズ２６との間に、電子から見て高いポテンシャルとなる直流電圧を印加する。第２実施例においては、アノード電極１３、電子放出源２５、及び静電レンズ２６を含んで、電子（電子線）放出部が構成される。

第２の実施例においても、電子線放出部から放出された電子線が量子井戸層１２に入射し、たとえば波長１８０ｎｍ〜２８０ｎｍの発光が生じる。

第１、第２実施例による紫外光源は、電子（電子線）を放出する電子（電子線）放出部、及び、量子井戸層１２を備える。量子井戸層１２は、電子線放出部から放出された電子線が入射する位置に配置され、電子線が照射されることで、たとえば波長１８０ｎｍ〜２８０ｎｍの光を発光する。実施例による紫外光源は、新規な構成を有し、ＭｇＺｎＯ単膜からの発光に比べ、発光強度が著しく高い。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されない。

たとえば実施例においては、量子井戸層として多重量子井戸構造(multi quantum well; MQW)を用いたが、単一量子井戸構造(single quantum well; SQW)を用いてもよい。

また実施例においては、岩塩構造のＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯ（０＜ｘ＜０．５５）単結晶で形成された井戸層と、岩塩構造のＭｇ_１−ｗＺｎ_ｗＯ（０≦ｗ＜０．４５、ｗ＜ｘ）単結晶で形成された障壁層が交互に積層された量子井戸構造を用いたが、この際、一例として、Ｚｎ組成の異なる井戸層を形成することができる。障壁層のＺｎ組成も異ならせてもよい。複数波長の発光（発光波長の複数選択、及び、広帯域化）が可能な紫外光源を構成することができる。

更に発光層として、岩塩構造のＢｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯ（０．５≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．５）単結晶で形成された井戸層と障壁層が交互に積層された量子井戸層を用いてもよい。たとえば井戸層はＢｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯ（０．５≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．５）単結晶で形成し、障壁層はＢｅ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍｇ_ｙＺｎ_ｘＣａ_ｚＯ（０．６≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．４）単結晶で形成する。

実施例においては、ＭｇＯ基板１１を用いたが、たとえば量子井戸層１２からの発光を透過する他の材料で基板を形成することもできる。具体的には、ＭｇＯの他、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＬｉＦを使用することが可能である。

図１１に、これら基板材料の物性を示した。たとえば「透過範囲」の欄を参照すると、これらの材料は、量子井戸層１２から生じる、波長１８０ｎｍ〜２８０ｎｍの発光を透過することがわかる。

種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

たとえば真空紫外光源、深紫外光源として利用することができる。水銀ランプ代替光源、エキシマランプ代替光源等として好適に利用可能である。

１１ＭｇＯ基板
１２量子井戸層
１３アノード電極
１４カソード電極
１５電子線源
１６ゲート電極
１７スペーサ
１８電界電子
２５電子放出源
２６静電レンズ
２７ガラス管
２８、２９直流電源
５１ＭｇＯ基板
５２ＭｇＺｎＯ層
５３量子井戸層
５３ｂＭｇＯ障壁層
５３ｗＭｇＺｎＯ井戸層

Claims

電子線を放出する電子線放出部と、
前記電子線放出部から放出された電子線が入射する位置に配置された（ｉ）岩塩構造のＭｇ１−ｘＺｎｘＯ（０＜ｘ＜０．５５）単結晶で形成された井戸層と、岩塩構造のＭｇ１−ｗＺｎｗＯ（０≦ｗ＜０．４５、ｗ＜ｘ）単結晶で形成された障壁層とを備える量子井戸構造を有する発光層、または、（ｉｉ）岩塩構造のＢｅ１−ｘ−ｙ−ｚＭｇｙＺｎｘＣａｚＯ（０．５≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｚ≦０．５）単結晶で形成された井戸層と障壁層とを備える量子井戸構造を有する発光層と
を有する紫外光源。
前記（ｉ）の発光層、または、前記（ｉｉ）の発光層は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＢａＦ２、またはＬｉＦで形成された基板上に配置されている請求項１に記載の紫外光源。
前記電子線放出部は、電子線源として、カーボン系材料を含む請求項１または２に記載の紫外光源。
前記（ｉ）の発光層、または、前記（ｉｉ）の発光層は、前記電子線放出部から放出された電子線の照射により、波長１８０ｎｍ〜２８０ｎｍの光を発光する請求項１〜３のいずれか１項に記載の紫外光源。