TWI514617B - Ultraviolet radiation device - Google Patents
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Description
本發明是例如關於一種具備利用表面電漿子(plasmon)的半導體多層膜元件的紫外線照射裝置。
近年來，小型紫外線光源的用途是逐漸擴展，例如也開發了適用到UV硬化型噴墨式印表機的新技術。
作為紫外線光源，眾知例如眾如使用氮化鎵(GaN)系化合物半導體的紫外線發光二極體(LED)，將此種紫外線LED的例如380nm以下的紫外線波長領域的發光，藉由變更含有構成活性層的鋁(Al)的GaN系化合物半導體的Al的組成比，可予以調整。
但是，紫外線LED是依半導體結晶中的缺陷所致的非輻射轉換，或是活性化能量高，例如藉由Mg等的p型不純物的存在而需要不得不成為低載體濃度的p型層的構成之外，還藉由活性層的載體的溢出或電阻損耗，也會把外部量子效率變低，而成為不實用為實際狀況。
近年來，作為用以改善LED的發光效率的一種方法，例如新提案利用所謂表面電漿子極化聲子(plasmon polariton)的能量狀態(例如參照非專利文獻1)，例如將在具有量子阱構造的活性層所發生的激發子(exciton)的能量，移動至銀所成的金屬層與活性層的界面的表面電漿子，藉由藉此所生成的表面電漿子極化聲子的高狀態密度，就可抑制依半導體結晶中的缺陷所致的非輻射轉變，成為可提昇內部量子效率(表面電漿子效果)。
還有，作為用以得到表面電漿子效果的技術，例如，提案著在形成於發光層上的半導體層上，設有對於該半導體層的電阻接觸良好的第一電極層，而且作成在此第一電極層上設置具有含有電漿頻率比該第一電極層還要高的凹凸形狀所成的周期性構造的作為電漿子發生層功能的第二電極層的構成(參照專利文獻1)，或是如第11圖所示地，在半導體發光元件40中周期性地形成有藉由含有活性層43的半導體多層膜與p電極47所構成的複數個柱狀體，而作於各柱狀體的周圍埋入有金屬所成的電漿子發生層48的構成(參照專利文獻2)等。在第11圖中，符號41是透明基板，42是n型接觸層，44是溢出抑制層，45是p型接觸層，49是n電極。
專利文獻1：日本專利第4130163號公報
專利文獻2：日本特開2007-214260號公報
非專利文獻1：月刊顯示器2009年2月號特別號第10頁～第16頁
然而，在利用表面電漿子的LED中，為了增強紫外線波長領域的發光，作為構成電漿子發生層的金屬，眾知最好適用鋁，惟欲利用鋁來構成電漿子發生層時，對於主要使用作為p型電極層構成材料的例如氮化物半導體或氧化鋅等無法進行良好的電阻接觸。
又，為了有效率地進行從活性層(發光層)所生成的激發子對表面電漿子的能量移動必須近接活性層(發光層)及電漿子發生層的兩者距離，惟在記載於專利文獻1的技術中，p型電極層必須在發光層與電漿子發生層之間的構造之外，發光層與電漿子發生層的距離例如距數100nm，不但無法實現提昇利用表面電漿子的發光效率，還有第一電極層為在發光層與高電漿頻率的第二金屬層(電漿子發生層)之間之故，因而有很難充分地激勵表面電漿子極化聲子的缺點問題。
另一方面，在專利文獻2所述的技術中，為了將半導體發光元件作成可得到表面電漿子效果的構成者，必須形成特殊的電極構造之故，因而具有成為需要複雜的製程的缺點問題。
本發明是依據如上的情形而創作者，其目的在於提供一種以未利用pn接合的簡便構造，而可有效率地利用表面電漿子極化聲子以高效率可放射特定波長的紫外線的紫外線照射裝置。
本發明的紫外線照射裝置，其特徵為：於具有紫外線穿透窗的被真空密封的容器內，配設有至少一個以上的半導體多層膜元件，及於該半導體多層膜元件照射電子線的電子線放射源所成，該半導體多層膜元件是具有：具依Inx
Aly
Ga1-x-y
N(0≦x<1，0<y≦1，x+y≦1)所致的單一量子阱構造或多重量子阱構造的活性層，及形成於該活性層的上面的鋁或鋁合金的金屬粒子所構成，具有依該金屬粒子所致的奈米構造的金屬膜所成，來自上述電子線放射源的電子線藉由被照射至上述半導體多層膜元件，使得紫外線經由上述紫外線穿透窗被放射至外部。
在本發明的紫外線照射裝置中，構成上述金屬膜的金屬粒子具有以下述式(1)所表示的範圍的粒徑較佳。
又，本發明的紫外線照射裝置中，可作成從上述半導體多層膜元件所放射的紫外線的波長為220～370nm的範圍內的構成。
又，在本發明的紫外線照射裝置中，所作成來自上述電子線放射源的電子線被照射至上述半導體多層膜元件的金屬膜的構成。
又，在本發明的紫外線照射裝置中，可作成上述半導體多層膜元件是被配置於上述紫外線穿透窗的內面上，而且上述電子線放射源是與上述半導體多層膜元件的金屬膜相對配置的構成。
本發明的半導體多層膜元件是具有在活性層被激勵的激發子的能量，取出藉由被移動至活性層與金屬層的界面的表面電漿子所產生的表面電漿子極化聲子的發光機構中，藉由可投入較大能量的電子線照射作成激發子所生成(激勵)的構成之故，因而可增加激發子的生成量，而且不會產生依活性層的載體的溢出或電阻損耗所致的外部量子效率的降低問題，而且表面電漿子極化聲子的高狀態密度，而依錯位等的結晶缺陷所致的激發子的非發光性再結合的程度被減低之故，因而可得到提昇內部量子效率。
又，藉由依構成金屬膜的金屬粒子所致的奈米構造的作用，可將活性層與金屬膜之界面的表面電漿子極化聲子取出作為特定波長的光線之故，因而可得到半導體多層膜元件的構造的簡化，而且容易地可製造。
因此，依照具備此種半導體多層膜元件所成的紫外線照射裝置，以高效率可放射特定波長的紫外線。
又，構成半導體多層膜元件的金屬膜的金屬粒子具有特定範圍內的粒徑，藉此藉由依該金屬粒子所致的顆粒構造(奈米構造)的作用，來調變金屬膜與活性層之界面的表面電漿子極化聲子的波數，確實地可取出作為特定波長的紫外線之故，因而可得到高取出光的效率，因此，確實地可提昇半導體多層膜元件的發光效率。
以下，針對於本發明的實施形態進行詳細地說明。
第1圖是表示本發明的紫外線照射裝置的一例子的構成的概略的斷面圖，第2圖是表示本發明的紫外線照射裝置的半導體多層膜元件的一構成例的概略的斷面圖。
此紫外線照射裝置10是具備：被形成於箱形形狀的筐體的開口藉由紫外線穿透窗12被氣密地閉塞而例如以真空狀態密封著內部空間的例如玻璃所成的真空容器11，於該真空容器11的紫外線穿透窗12的內面上配設有半導體多層膜元件20，而且於相對於半導體多層膜元件20的位置，配設有將電子線照射於該半導體多層膜元件20的電子線放射源15所構成。
作為電子線放射源15，例如可例示於圓椎形狀Mo浸漬的周圍近接配置有電子拉出用的閘電極的構造的錐狀發射體型(因發明人CA,Spindt，而被稱為Spindt型)的射極等。
半導體多層膜元件20是由：例如藍寶石所構成的基板21，及形成於此基板21的一面上的例如AlN所構成的緩衝層22，及形成於此緩衝層22一面上的具有單一量子阱構造或是多重量子阱構造的活性層25，及形成於此活性層25的一面上的藉由鋁或鋁合金所構成的金屬粒子所構成的金屬膜30所構成。
此實施例的半導體多層膜元件20是金屬膜30對於電子線放射源15被露出的狀態下，而基板21對於紫外線穿透窗12藉由UV硬化性樹脂接著被固定，因此，作成來自電子線放射源15的電子線，從金屬膜30側被照射的構成。
表示依多重量子阱構造的活性層25的一構成例，如第3圖所示地，分別由例如AlN所構成的例如10層的阻擋層27，及分別由Inx
Aly
Ga1-x-y
N(0≦x<1，0<y≦1，x+y≦1)所構成的例如10層的量子阱層26交互地被積層，又，於最上層的量子阱層26A的一面上，例如積層AlN所構成的阻擋層27A所構成。
各個量子阱層26的厚度是設定與利用電子線照射所生成的激發子的直徑同等或比其直徑還要小，各個的阻擋層27的厚度是設定比量子阱層26的阱寬還要大。
最上層的量子阱層26A的一面與金屬膜30的另一面的距離d，亦即，最上層的阻擋層27A的厚度，是例如10～20nm較佳。藉此，有效率地發生從在活性層25所生成的激發子至最上層的阻擋層27A與金屬膜30的界面B的表面激發子的能量移動，而以高效率可生成表面電漿子極化聲子。
在利用多重量子阱構造來構成活性層25時，量子阱層26的周期實際上例如作為1～100。
如下所述地，金屬膜30是具有依具特定大小的粒徑(grain size)的金屬粒子所致的奈米構造(顆粒構造)。
金屬膜30的厚度是例如2nm～10μm較佳。
又，金屬膜30為鋁合金的金屬粒子所構成時，鋁的含有比率為50%以上較佳，作為構成鋁合金的其他金屬，例如，可例示銀。
表示半導體多層膜元件20的一構成例，藍寶石基板(21)的厚度為例如50μm，AlN緩衝層(22)的厚度為例如600nm，Al0.79
Ga0.21
N量子阱層(26)的阱寬(厚度)為11nm，AlN阻擋層(27)的厚度為13.5nm，量子阱層26的周期為10周期，鋁膜(30)的厚度為例如50nm。
針對於上述構成的半導體多層膜元件20的製作方法加以說明，則半導體多層膜元件20的半導體多層膜是例如可藉由MOCVD法所形成。亦即，首先，使用氫與氮所成的傳輸氣體，及三甲鋁與氨所成的原料氣體，在藍寶石基板21的(0001)面上，成長AlN所成的緩衝層22成為所定厚度之後，在保持成所定的成長溫度(例如1000～1200℃)及所定的成長壓力[例如76Torr(1×104
Pa)]的狀態下，使用氫與氮所成的傳輸氣體，及三甲鋁，三甲鎵與氨所成的原料氣體，於緩衝層22上，藉由交互地成長具有AlN所成的所定厚度的阻擋層27，及具有AlGaN所成的所定厚度的量子阱層26，進行形成具有所定周期的多重量子阱構造的活性層25，又，在最上層的量子阱層26A上，藉由將AlN所成的阻擋層27A成長成為所定厚度，就可形成。在此，AlN緩衝層22，AlN阻擋層27及AlGaN量子阱層26的成長速度，成長溫度等的條件，是因應於目的適當地可設定。
又，作為量子阱層26，成長InAlGaN時，作為原料氣體，上述者之外，還可使用三甲銦，而將成長溫度設定成比AlGaN的成長溫度低就可以。
又，半導體多層膜的形成方法，是並不被限定於MOCVD法者，例如也可使用MBE法等。
接著，在最上層的阻擋層27A的一面上的全面，使用具有位於下述的粒徑範圍的粒徑的鋁或鋁合金所成的金屬粒子，例如藉由真空蒸鍍法，將金屬粒子蒸鍍成為所定厚度，藉此形成具有依金屬粒子所致的奈米構造的金屬膜30，就此，可得到上述構成的半導體多層膜元件20。
又，具有奈米構造的金屬膜30，是將粒徑整齊的適當的奈米微粒子展開於最上層的阻擋層27A上，而後其上面進行蒸鍍金屬粒子，之後，藉由進行退火來製作奈米島狀構造，藉此也可得到。
以下，針對於上述紫外線照射裝置10(半導體多層膜元件20)的發光機構進行說明。
在此紫外線照射裝置10中，藉由來自電子線放射源15的電子線e-
被照射至半導體多層膜元件20，在活性層25中，激發子被激勵，而藉由該激發子(電子，空穴)的再結合，活性層25與金屬膜30的界面B的表面電漿子(以下，稱為「SP」)被結合(來自激發子的能量移動)，而生成著表面電漿子極化聲子(以下，稱為「SPP」)。
又，該SPP的波數藉由依金屬膜30的金屬粒子所致的奈米構造的作用被調變而由該界面B取出作為光線，使得波長220～370nm的紫外線經由紫外線穿透窗12被放射至紫外線照射裝置外部。
然而，作為決定半導體多層膜元件20的發光效率的因子，例如有(A)激發子所生成的激發子生成效率，(B)激發子再結合之際成為光線的內部量子效率，以及(C)所產生的光線被取出至外部的光取出效率等，藉由提昇此些的效率，就可提昇半導體多層膜元件20的發光效率。
如上所述地，在上述半導體多層膜元件20中，作成藉由電子線照射來生成激發子的構成，而與藉由利用pn耦合的電流注入來激勵激發子的構成者相比較，可接通大能量之故，因而可增加激發子的生成量。
接著，針對於上述半導體多層膜元件20的內部量子效率進行說明，惟上述半導體多層膜元件20是作為以振動數ωSP
產生固有振動的SP。
首先，利用未具有金屬膜的構成的試料(半導體多層膜元件)的時間分解PL測定等所測定的發光速度(發光壽命的倒數)k0 PL
，是如下述式(2)所示地，以輻射再結命壽命krad
與非輻射再結合壽命knon
的總和所表示。
此時，發光的內部量子效率η0
是以下述式(3)給與。
一方面，在形成有金屬膜30的試料(半導體多層膜元件)中，在最上層的阻擋層27A與金屬膜30的界面B生成有SPP時，亦即，發生從激發子有能量移動至SP時，藉由時間分解PL測定的發光速度(發光壽命的倒數)k* PL
，是如下述式(4)所示地，成為僅增大從激發子至SP的能量的移動速度kSPC
的分量，換言之，發光壽命是成為僅縮短從激發子至SP的能量的移動速度kSPC
的分量。
藉由從激發子至SP的能量移動(再結合發光)SPP所生成的效率(激發子-SPP能量變換效率)η'，是以下述式(5)所表示。
在此，沿著最上層的阻擋層27A與金屬膜30之界面B所傳播的SPP為由該界面作為光線被放射(被取出)效率(SPP-光子能量變換效率)η〞，是使用從SPP被光放出的速度kext
與藉由阻尼受損的速度kloss
，利用下述式(6)被表示。
因此，藉由SPP的作用被增強的最終性的內部量子效率η*
，是如下述式(7)所示地，利用輻射再結合的內部量子效率及來自SPP的發光的內部量子效率的總和所表示。
在上述式(7)中，kext
或kloss
是在毫微微秒(fs)領域所產生的現象，而在奈米秒(ns)領域所產生的krad
或knon
，時間標度大不相同之故，因而來自SPP的發光的內部量子效率，是僅可表示作為利用上述式(6)所表示的SPP-光子能量變換效率η"，及從激發子在SP的能量移動速度kspc
的相乘積。
一方面，從激發子至SP的能量移動速度kSPC
，是費密(Fermi)的黃金定律，由下述式(8)所表示。
又，從激發子至SP的能量移動速度kSPC
是原來的激發子的輻射再結合壽命krad
，為考量藉由所生成的SPP高的狀態密度被放大時，放大係數F是如下述式(9)地可加以定義，從激發子至SP的能量移動速度kSPC
為比例於分散曲線的傾斜(dkx
/dω)之故，因而可考量放大係數F是比例於分散曲線的傾斜(dkx
/dω)。
因此，由上述式(4)，式(5)及式(9)，激發子-SPP能量變換效率η'，是藉由活性層的發光壽命k* PL
及放大係數(放大率)F所決定。
在以上中，針對於將活性層25的發光壽命k* PL
假定為1ns，將內部量子效率假定為10%時的一例子，來進行算出激發子-SPP能量變換效率η'，如第4圖所示地，在波長220nm以上的紫外線領域中，表示有效率地產生從激發子至SP的能量移動，激發子-SPP能量變換效率η'變高的情形。此為，激發子的能量被移動至SP，就可減低依起因於結晶缺陷的非輻射轉變。[依結晶缺陷所致的激發子(電子或空穴)所補足的消滅或非發光性再結合]所致的損耗，藉此，表示內部量子效率被提昇。
接著，針對於上述半導體多層膜元件20的光取出效率進行說明。
例如，如第5圖所示地，在AlN阻擋層27與鋁膜30之界面B所生成的SPP，是其分散曲線(在第5圖以實線表示)，惟比Al與AlN的介質函數所算出的SP振動數(在第5圖以點線表示)。存在於低能量側，具有與以虛線所表示於直線交叉的趨勢之故，因而為了由AlN阻擋層27A與鋁膜30的界面B取出作為光線，而必須調變SPP的波數。在此，AlN阻擋層27A與鋁膜30之界面B的SP振動數(ωSP
)，是相當於波長220nm的光線的振動數，在第5圖中，藉由將SPP波數予以調變，具體而言藉由作成較小，在比220nm還要長波長的紫外線領域，尤其是，在波長220～370nm的紫外線領域中表示有效地可利用SPP(可得到表面電漿子效果)。
如上所述地，在上述半導體多層膜元件20中，金屬膜30是於依構成該金屬膜30的金屬粒子的奈米構造，具體而言，如第6圖所示地，在金屬膜30的表面(界面)，具有依金屬粒子的結晶粒G的各個粒徑被調整成適當大小的多結晶所致的顆粒構造，而藉由該顆粒構造，可調變在AlN阻擋層27A與金屬膜30之界面B所生成的SPP的波數。
在此，粒徑(金屬粒子的粒徑)a，是針對於各個結晶粒G，以兩條平行線所夾住結晶粒G時的該平行線的間隔成為最大的大小定義作為最大粒徑，並以成為最小的大小定義作為最小粒徑，惟除了特別加以檢討時以外，所謂「粒徑」是指最大粒徑及最小粒徑的雙方者。亦即，針對於下述的金屬粒子的粒徑所規定的範圍，是指滿足金屬粒子的最大粒徑amax
及最小粒徑amin
都滿足特定之關係。
粒徑是以掃描型電子顯微鏡或原子間力顯微鏡可進行確認。
例如，將沿著AlN阻擋層27A與鋁膜30的界面B傳播的SPP從該界面B取出作為光線之故，亦即，為了形成產生從SPP至光點的能量變換所必須的顆粒構造，具有構成金屬膜30的金屬粒子為滿足上述式(1)的粒徑(grain size)a較佳。
利用上述式(1)所規定的金屬粒子的粒徑a的範圍是如下地被設定者。
亦即，如第7圖所示地，利用將位於光錐(發光領域)Lc的外側領域的SPP分散曲線，藉由粒徑a的金屬粒子所致的顆粒構造的作用所產生的區域折疊而在波數π/a的位置進行折疊，當波數kSP
的位置α被波數調變成被移動至具有光錐Lc的內側領域的波數的位置β時(Δkx=2π/a)、粒徑a的上限值amax
及下限值amin
，是依據第8圖由下述式(10)所表示。
在此，SPP的分散曲線上的光錐Lc的外側領域的位置α的波數kSP
，及光錐Lc的境界位置(由ω=ckx所表示的直線上的位置)的波數k1
，是由下述式(11)所表示。
因此，粒徑的上限值amax
及下限值amin
，是由上述式(10)及式(11)，利用ω=2πc/λ之關係而以使用波長λ的表現加以重寫，則由下述式(12)所表示。
又，在金屬膜30為鋁所成的構造者中，為了形成從藉由顆粒構造所散射的SPP未被全反射在AlN阻擋層27A的表面而被取出的範圍(對於AlN阻擋層27A的表面的角度)對光線(光點)產出能量變換所必須的顆粒構造的金屬粒子的粒徑a'[nm]的範圍，是由下述式(13)所表示。
上述式(13)是作成如下地被導出。亦即，當AlN阻擋層27A與鋁膜30之界面B的SPP從該界面B對於AlN阻擋層27A的表面作為角度±θ的光線被放出，則SPP的分布曲線上的光錐Lc的外側領域的位置α的波數kSP
，是由下述式(14)所表示。
在此，由全反射條件，將光線從AlN層取出至空氣中的界限的角度，是sinθ=nair
/nAlN
之故，因而粒徑的上限值a'max
及下限值a'min
是由上述式(14)，利用ω=2π c/λ的關係而以使用波長λ的表現加以重寫，則得到下述式(15)。
金屬粒子的粒徑amid
為利用下述式(16)所表示的大小時，該粒徑amid
是SPP的波數kx在區域折疊被折疊成為0的粒徑，亦即，SPP作為光線朝垂直方向所放出的中心粒徑，而由SPP至光點的能量變換成為以最高效率可產生。
由以上事項，整理針對於形成產生從SPP至光點的能量變換所必須的顆粒構造所用的金屬粒子的粒徑範圍的波長依存性，則如第9圖所示地，形成依至少利用上述式(1)所規定的粒徑範圍(利用一點鏈線所表示的amax
曲線及amin
曲線所圍繞的領域I)的金屬粒子所致的奈米構造，藉此，可提昇針對於某一特定波長的光取出效率，而在利用鋁來構金屬膜30時，則形成依利用上述式(13)所規定的粒徑範圍(利用虛線所表示的a'max
曲線及a'min
曲線所圍繞的領域II)的鋁粒子所致的奈米構造，藉此，可提昇針對於某一特定波長的光取出效率，而形成依具有以實線所表示的曲線的粒徑amid
的金屬粒子所致的奈米構造，藉此，可得到最高的光取出效率。
在以上中，調整金屬膜30的顆粒構造的粒徑，是例如藉由調整形成金屬膜30時的蒸鍍速度就可進行。
於是，依照上述構成的半導體多層膜元件20，在活性層25被激勵的激發子的能量，具有取出藉由被移動至AlN阻擋層27A與金屬膜30之界面B的SP所產生的SPP的發光機構者，藉由可接通較大的能量的電子線照射作成被生成(激勵)有激發子的構成之故，因而可增加激發子的生成量，而且不會產生依活性層25的載體溢出或電阻損耗的外部量子效率降低的問題，而且藉由SPP的高狀態密度，減低依錯位等的結晶缺陷所致的激發子的非發光性再結合的程度之故，因而可提昇內部量子效率。
又，藉由依構成金屬膜30的金屬粒子的奈米構造的作用，可將AlN阻擋層27A與金屬膜30的界面B的SPP取出作為波長220～370nm的紫外線，因此，半導體多層膜元件20是成為高發光效率者。
因此，依照具備此種半導體多層膜元件20所成的紫外線照射裝置10，就可將特定波長的紫外線以高效率進行放射。
又，構成半導體多層膜元件20的金屬膜30的金屬粒子具有在特定範圍內的粒徑a，藉此藉由依該金屬粒子所致的顆粒構造(奈米構造)的作用，調變AlN阻擋層27A與金屬膜30之界面B的SSP的波數，而確實地可取出作為波長220～370nm的紫外線之故，因而可得到高光取出效率，因此，確實地可提昇半導體多層膜元件20的發光效率。
以下，針對於為了確認本發明的效果所進行的實驗例加以說明。
依照表示於第1圖至第3圖的構成，作為電子線放射源使用錐狀發射體型(spindt型)射極，而且使用在上述所例示的構成(參照段落0026)的半導體多層膜元件(尺寸：1×1×0.5mm)，來製作本發明的紫外線照射裝置，將電子線以10mA/cm2
的電子線量照射至半導體多層膜元件，使針對於波長250nm的紫外線的發光強度，除了未具有金屬膜以外，是被確認增強成具有同一構造的半導體多層膜元件的發光強度的大約兩倍程度被放射。
以上，針對於本發明的實施形態加以說明，惟本發明是並不被限定於上述實施形態者，可施加各種變更。
例如，作為電漿子發生層的金屬膜，是並不被限定於(純)鋁膜者，例如，藉由鋁與銀的合金所成的鋁合金膜可構成。依照此種構成的金屬膜，銀是電漿振動數比鋁還要低者之故，因而可將AlN阻擋層與鋁合金膜的界面的表面電漿子振動數(SP振動數)調變成相當於與鋁膜的SP振動數相比較還要低的波長的能量，因此，針對於比金屬膜在純鋁膜所構成的半導體多層膜元件被增強的發光波長還要長波長領域的紫外線，可得到高發光效率。
在上述實施例中，針對於電子線放射源對於半導體多層膜元件的金屬膜相對配置而使電子線從金屬膜側入射的構成加以說明，惟可作成從與形成有金屬膜之面相反側的一面(基板側)有電子線入射的構成。在此種構成者中，半導體多層膜元件的光取出面與電子線入射面成為一致。
又，在本發明的紫外線照射裝置中，可作成配設有複數個半導體多層膜元件的構成。
具體而言，例如在表示於第1圖的構成的紫外線照射裝置中，可作成將發光波長為250nm的半導體多層膜元件，及發光波長為310nm的半導體多層膜元件的發光波長互相不相同的2個半導體多層膜元件對於電子線放射源排列配置的構成。在此，在上述中所例示的構成的半導體多層膜元件中，藉由Al0.3
Ga0.7
N以阱寬(厚度)成為2nm的狀態來構成量子阱層，藉此，可得到發光波長310nm的半導體多層膜元件。
在此種構成者中，在鋁膜的界面，Al的粒徑例如形成成為100～150nm的顆粒構造，藉此，針對於波長250nm及波長310nm的任一波長的紫外線，也可提昇從SPP至光點的變換效率。
又，例如如第10(A)圖，第10(B)圖所示地，也可作成複數個，例如24個的半導體多層膜元件20對於電子線放射源15被並聯配置，而藉由共通於所有半導體多層膜元件20的電子線放射源15有電子線被照射的構成。在此種構成者中，作為半導體多層膜元件20，例如使用發光波長互相地不相同的發光波長者，藉此，可得到複數峰值波長(λ1，λ2，λ3，…)所得到的紫外線照射裝置10。
10．．．紫外線照射裝置
11．．．真空容器
12．．．紫外線穿透窗
15．．．電子線放射源
20．．．半導體多層膜元件
21．．．基板(藍寶石基板)
22．．．緩衝層(AlN緩衝層)
25．．．活性層
26．．．量子阱層(AlGaN量子阱層)
26A．．．最上層的量子阱層
27．．．阻擋層(AlN阻擋層)
27A．．．最上層的阻擋層
30．．．金屬膜(鋁膜)
40．．．半導體發光元件
41．．．透明基板
42．．．n型接觸層
43．．．活性層
44．．．溢出抑制層
45．．．p型接觸層
47．．．p電極
48．．．電漿子發生層
49．．．n電極
G．．．結晶粒
B．．．界面
Lc．．．光錐
第1圖是表示本發明的紫外線照射裝置的一例子的構成的概略的斷面圖。
第2圖是表示本發明的紫外線照射裝置的半導體多層膜元件的一構成例的概略的斷面圖。
第3圖是概略地表示圖示於第2圖的半導體多層膜元件的一部分的擴大斷面圖。
第4圖是表示從激發子至AlN阻擋層與Al膜之界面的表面電漿的能量變換效率的圖表。
第5圖是表示AlN阻擋層與Al膜之界面的表面電漿子極化聲子的分散曲線的圖表。
第6圖是表示依構成金屬膜的金屬粒子所致的顆粒構造的模式圖。
第7圖是表示表面電漿子極化聲子的分散曲線，及光錐(發光領域)之關係的說明圖。
第8圖是表示將表面電漿子極化聲子的分散曲線藉由區域折疊而移動至光錐內所用的顆粒構造所必需的金屬粒子的粒徑的上限值及下限值的說明圖。
第9圖是表示金屬膜的顆粒構造的粒徑的最適值的波長依存性的圖表。
第10圖是表示本發明的紫外線照射裝置的其他例的構成的概略的說明圖，(A)是斷面圖，(B)是從電子線放射源側觀看的俯視圖。
第11圖是表示利用習知的表面電漿子的半導體發光元的構成的立體圖。
22．．．緩衝層(AlN緩衝層)
25．．．活性層
26．．．量子阱層(AlGaN量子阱層)
26A．．．最上層的量子阱層
27．．．阻擋層(AlN阻擋層)
27A．．．最上層的阻擋層
30．．．金屬膜(鋁膜)
G．．．結晶粒
B．．．界面
d．．．距離
Claims (5)
- 一種紫外線照射裝置，其特徵為：於具有紫外線穿透窗的被真空密封的容器內，配設有至少一個以上的半導體多層膜元件，及於該半導體多層膜元件照射電子線的電子線放射源所成，該半導體多層膜元件是具有：具依Inx Aly Ga1-x-y N(0≦x<1，0<y≦1，x+y≦1)所致的單一量子阱構造或多重量子阱構造的活性層，及形成於該活性層的上面的鋁或鋁合金的金屬粒子所構成，且具有具依該金屬粒子所致的奈米構造的金屬膜所成，來自上述電子線放射源的電子線係藉由被照射至上述半導體多層膜元件，使得紫外線經由上述紫外線穿透窗被放射至外部。
- 如申請專利範圍第1項所述的紫外線照射裝置，其中，構成上述金屬膜的金屬粒子係具有以下述式(1)所表示的範圍的粒徑，
- 如申請專利範圍第2項所述的紫外線照射裝置，其中，從上述半導體多層膜元件所放射的紫外線的波長為220~370nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的紫外線照射裝置，其中，來自上述電子線放射源的電子線被照射至上述半導體多層膜元件的金屬膜。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的紫外線照射裝置，其中，上述半導體多層膜元件是被配置於上述紫外線穿透窗的內面上，而且上述電子線放射源是與上述半導體多層膜元件的金屬膜相對向配置。
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