WO2012147469A1 - 電子線励起型光源装置 - Google Patents

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WO2012147469A1
WO2012147469A1 PCT/JP2012/059094 JP2012059094W WO2012147469A1 WO 2012147469 A1 WO2012147469 A1 WO 2012147469A1 JP 2012059094 W JP2012059094 W JP 2012059094W WO 2012147469 A1 WO2012147469 A1 WO 2012147469A1
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WO
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electron beam
light emitting
emitting element
transmission window
semiconductor light
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Application number
PCT/JP2012/059094
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English (en)
French (fr)
Inventor
真典 山口
前岨　剛
亮平 高木
寛之 高田
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J63/00—Cathode-ray or electron-stream lamps
    • H01J63/02—Details, e.g. electrode, gas filling, shape of vessel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J63/00—Cathode-ray or electron-stream lamps
    • H01J63/06—Lamps with luminescent screen excited by the ray or stream
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation

Definitions

  • the present invention relates to an electron beam excitation type light source device including an electron beam source and a semiconductor light emitting element that emits light by the electron beam emitted from the electron beam source.
  • FIG. 10 is an explanatory cross-sectional view showing an outline of the configuration of an example of a conventional electron beam excitation light source.
  • This electron beam excitation type light source emits laser light, and includes a casing 80 having a light transmission window 81 sealed inside in a negative pressure state.
  • a laser structure 85 in which light reflecting members 83 and 84 are disposed on both surfaces of the semiconductor light emitting element 82 is disposed on the inner surface of the light transmitting window 81.
  • an electron beam source 86 for irradiating the semiconductor light emitting element 82 with an electron beam is disposed on the inner surface of the bottom wall of the casing 80 so as to face the laser structure 85.
  • the semiconductor light emitting element 82 and the electron beam source 86 are electrically connected to an electron acceleration power source 87 provided outside the casing 80 for applying an acceleration voltage.
  • An electron beam excitation light source having such a configuration is described in Patent Document 1.
  • electrons emitted from the electron beam source 86 are accelerated by an acceleration voltage applied between the semiconductor light emitting element 82 and the electron beam source 86 to form an electron beam.
  • the electron beam is incident on the semiconductor light emitting element 82 via the light reflecting member 84, light is emitted from the semiconductor light emitting element 82. This light is resonated by the light reflecting members 83 and 84, and is emitted to the outside through the light transmission window 81 as laser light.
  • the electron beam excitation light source has the following problems. Since the semiconductor light emitting device 82 generates heat when irradiated with an electron beam, it is necessary to cool the semiconductor device 82. However, since one surface of the semiconductor light emitting device 82 is used as a light emitting surface and the other surface is used as an incident surface for electron beams, the semiconductor light emitting device 82 is cooled from either the large surface or the other surface. I can't. Therefore, it is difficult to efficiently cool the semiconductor light emitting element 82. As a result, the semiconductor light emitting element 82 generates heat to a high temperature, thereby reducing the light emission efficiency of the semiconductor light emitting element 82 and not emitting light with high output. There is a problem that it occurs. In order to obtain light with high output, it is conceivable to increase the acceleration voltage of the electron beam. However, when the acceleration voltage of the electron beam is increased, X-rays are generated from the semiconductor light emitting element 82. is there.
  • an electron beam source 86 is arranged around the semiconductor light emitting element 82, and the electric field in the casing is controlled to thereby control the electron beam source 86.
  • a configuration in which an electron beam traveling along a parabolic orbit enters the surface of the semiconductor light emitting device 82, emits light from the surface of the semiconductor light emitting device 82, and exits from the light transmission window 81 is conceivable. According to such a configuration, the semiconductor light emitting element 82 can be cooled from the other surface of the semiconductor light emitting element 82.
  • the electron beam excitation light source device having the above configuration has the following problems. That is, as shown in FIG. 11 (b), the electron beam from the electron beam source 86 is partly off the intended orbit or reflected on one surface of the semiconductor light emitting element 82, so that The transmission window 81 is irradiated, whereby secondary electrons are emitted from the light transmission window 81 and the light transmission window 81 is positively charged. Therefore, as a result of the electric field state in the casing changing, the electron beam from the electron beam source 86 is not reliably incident on one surface of the semiconductor light emitting element 82, and the light emission efficiency is significantly reduced.
  • the present invention has been made based on the above circumstances, and its purpose is that the light transmission window is not charged and the electron beam is reliably incident on one surface of the semiconductor light emitting device, and has high luminous efficiency. Is to provide an electron beam excitation light source device.
  • an electron beam source and a semiconductor light emitting element that emits light by an electron beam from the electron beam source are arranged in a casing having a light transmission window, and the semiconductor light emitting element
  • the semiconductor light emitting element In an electron beam excitation type light source device in which light is emitted from the one surface of the semiconductor light emitting element and emitted from the light transmission window when an electron beam from the electron beam source is incident on one surface of
  • an electric field control electrode for directing an orbit of an electron beam from the electron beam source toward one surface of the semiconductor light emitting element is provided in the casing. Is preferred.
  • the electron beam shielding electrode is electrically connected to the electric field control electrode.
  • the electron beam shielding electrode has a stripe shape or a net shape.
  • the electron beam shielding electrode maintained at a negative potential is provided between the inner surface of the light transmission window in the casing or between the light transmission window and the semiconductor light emitting element. Since the electron beam traveling toward the light transmission window is shielded, the light transmission window is prevented from being irradiated with the electron beam. Therefore, the light transmission window is not positively charged, and as a result, the electric field state in the casing is stably maintained. As a result, the orbit of the electron beam from the electron beam source does not change its orbit and emits semiconductor light. Since it is reliably incident on one surface of the element, high luminous efficiency can be obtained.
  • FIG. 6 is a spectral radiant intensity curve diagram of light emitted from an electron beam excitation light source device according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. It is sectional drawing for description which shows the outline of a structure in an example of the conventional electron beam excitation type light source. It is explanatory drawing which shows the track
  • FIG. 1A and 1B are explanatory views showing an outline of the configuration of the electron beam excitation light source device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a side sectional view
  • FIG. It is a top view which shows the state.
  • This electron beam excitation type light source device has a casing 10 whose outer shape is sealed in a state of negative pressure inside and is a rectangular parallelepiped.
  • the casing 10 has a casing base 11 having an opening on one surface (the upper surface in FIG. 1A), and a light transmission window 15 disposed at the opening of the casing base 11 and hermetically sealed to the casing base 11. It is constituted by.
  • the semiconductor light emitting element 20 is disposed such that the surface (the upper surface in FIG. 1A) 20 a faces the light transmission window 15 with a distance therebetween.
  • An electron beam source 30 in which the electron beam emitting portion 32 is formed is disposed so as to surround the semiconductor light emitting element 20.
  • the electron beam source 30 is formed of an annular belt-like body, and the attitude of the electron beam emitting portion 32 from which the electron beam is emitted is oriented in the same direction as the surface 20 a of the semiconductor light emitting element 20, that is, the casing 10.
  • the semiconductor light emitting element 20 is disposed so as to surround the light transmitting window 15. In this state, the electron beam source 30 is fixed to the bottom wall of the casing base 11 in the casing 10 via the support member 37.
  • the semiconductor light emitting element 20 is electrically connected to the positive electrode side of an electron acceleration power source 50 for applying an acceleration voltage provided outside the casing 10 via a conductive wire drawn from the inside of the casing 10 to the outside. It is connected.
  • the electron beam source 30 is electrically connected to the negative electrode side of the electron acceleration power source 50 via a conductive wire drawn from the inside of the casing 10 to the outside.
  • the semiconductor light emitting element 20 is fixed to the bottom wall of the casing base 11 in the casing 10 via a high thermal conductive member 16 provided on the back surface 20b.
  • the orbit of the electron beam emitted from the electron beam source 30 is placed on the surface 20 a where the light emitted from the semiconductor light emitting device 20 is emitted at a position outside the electron beam source 30 with respect to the semiconductor light emitting device 20.
  • An electric field control electrode 40 that is directed toward the surface is disposed.
  • the electric field control electrode 40 has a body portion 41 having an inner diameter larger than the outer diameter of the electron beam source 30, and a distal end (the upper end in FIG. 1A) formed continuously to the body portion 41. ) And is formed so as to surround the outer periphery of the electron beam source 30.
  • the base end of the electric field control electrode 40 is fixed to the bottom wall of the casing base 11 in the casing 10.
  • the electron beam source 30 is electrically connected to the positive electrode side of the electric field control power source 52 provided outside the casing 10 via a conductive wire drawn from the inside of the casing 10 to the outside.
  • the electric field control electrode 40 is electrically connected to the negative electrode side of the electric field control power supply 52 via a conductive wire drawn from the inside of the casing 10 to the outside.
  • An electron beam shielding electrode 45 made of a conductor having a light transmission part is provided on the inner surface of the light transmission window 15 in the casing 10.
  • the electron beam shielding electrode 45 in this example has a stripe shape in which a plurality of metal lines are formed so as to be spaced apart and arranged in parallel, and a light transmission part is formed by a slit between the metal lines.
  • the electron beam shielding electrode 45 is electrically connected to the negative electrode side of the electric field control side power supply 52 via a conductive wire drawn from the inside of the casing 10 to the outside.
  • an insulator such as glass such as quartz glass and ceramics such as alumina can be used.
  • transmit the light from the semiconductor light-emitting element 20 is used, for example, quartz glass, sapphire, etc. can be used.
  • the pressure inside the casing 10 is, for example, 10 ⁇ 4 to 10 ⁇ 6 Pa.
  • the outer dimensions of the casing base 11 are 40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 32 mm, the thickness of the casing base 11 is 2.5 mm, the opening of the casing base 11 is 35 mm ⁇ 35 mm, and the light transmission window 15 Is 40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 3 mm.
  • a metal having high thermal conductivity such as copper or diamond can be used.
  • the semiconductor light emitting element 20 is formed on a substrate 21 made of, for example, sapphire, a buffer layer 22 made of, for example, AlN formed on one surface of the substrate 21, and on one surface of the buffer layer 22.
  • the active layer 25 has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.
  • the substrate 21 is joined to the high thermal conductive member 16 by brazing or the like with the active layer 25 facing the light transmission window 15 in the casing 10.
  • the thickness of the substrate 21 is, for example, 10 to 1000 ⁇ m
  • the thickness of the buffer layer 22 is, for example, 100 to 1000 nm.
  • the distance between the active layer 25 and the electron beam source 30 in the semiconductor light emitting device 20 is, for example, 5 to 15 mm. Further, the distance between the light emitting surface 20a of the semiconductor light emitting element 20 and the inner surface of the light transmission window 15 is, for example, 3 to 25 mm.
  • the active layer 25 is a single quantum well structure or a multiple quantum well structure consisting of each In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1,0 ⁇ y ⁇ 1, x + y ⁇ 1), a single or A plurality of quantum well layers 26 and a single or a plurality of barrier layers 27 are alternately stacked on the buffer layer 22 in this order.
  • the thickness of each quantum well layer 26 is, for example, 0.5 to 50 nm.
  • the barrier layer 27 has a composition selected such that the forbidden band width is larger than that of the quantum well layer 26.
  • AlN may be used, and each thickness is larger than the well width of the quantum well layer 26.
  • a large value is set, specifically, for example, 1 to 100 nm.
  • the period of the quantum well layer 26 constituting the active layer 25 is appropriately set in consideration of the total thickness of the quantum well layer 26, the barrier layer 27 and the active layer 25, the acceleration voltage of the electron beam used, etc. 1 to 100.
  • the semiconductor light emitting element 20 can be formed by, for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Specifically, by using a carrier gas composed of hydrogen and nitrogen and a source gas composed of trimethylaluminum and ammonia, vapor deposition is performed on the (0001) plane of the sapphire substrate 21 to have a required thickness. After forming the buffer layer 22 made of AlN, vapor phase growth is performed on the buffer layer 22 using a carrier gas made of hydrogen gas and nitrogen gas and a source gas made of trimethylaluminum, trimethylgallium, trimethylindium and ammonia.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the active layer 25 having a single quantum well structure or a multiple quantum well structure made of Inx Aly Ga1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, x + y ⁇ 1) having a required thickness is formed.
  • the semiconductor light emitting element 20 can be formed.
  • each step of forming the buffer layer 22, the quantum well layer 26, and the barrier layer 27 conditions such as a processing temperature, a processing pressure, and a growth rate of each layer are determined according to the buffer layer 22, the quantum well layer 26, and the barrier layer 27 to be formed. It can set suitably according to a composition, thickness, etc. of this.
  • a processing temperature when forming the quantum well layer 26 made of InAlGaN, trimethylindium is used as a source gas in addition to the above, and the processing temperature is set lower than when the quantum well layer 26 made of AlGaN is formed. That's fine.
  • the method for forming the semiconductor multilayer film is not limited to the MOCVD method, and for example, an MBE method (molecular beam epitaxy method) or the like can also be used.
  • the level L1 of the surface 20a on which the electron beam in the semiconductor light emitting element 20 is incident is the level of the surface on which the electron beam is emitted in the electron beam emitting portion 32 of the electron beam source 30.
  • the electron beam source 30 It is preferable that the level of the electron beam emitting unit 32 is displaced so as to approach the light transmission window 15 from the surface from which the electron beam is emitted.
  • the level L1 of the surface 20a of the semiconductor light emitting element 20 It is more preferable that the distance (displacement amount) d from the level L2 of the surface where the electron beam is emitted in the electron beam emitting portion 32 is 2 to 5 mm. According to such a configuration, the trajectory of the electron beam emitted from the electron beam emitter 32 can be easily controlled with a small voltage, and the electron beam is incident on the surface 20a of the semiconductor light emitting element 20 with higher efficiency. be able to.
  • the electron beam emitter 32 in the electron beam source 30 has a large number of carbon nanotubes supported on a support substrate 31 made of a metal material containing, for example, iron, nickel, cobalt, or chromium.
  • the support substrate 31 in the electron beam source 30 is fixed on a plate-like base 33.
  • a net-like extraction electrode 35 for emitting electrons from the electron beam emitting portion 32 is disposed so as to face the electron beam emitting portion 32 with a distance therebetween.
  • the lead electrode 35 is fixed to the base 33 via the electrode holding member 36.
  • the support substrate 31 and the extraction electrode 35 are connected to an electron beam emission power source 51 provided outside the casing 10 via a conductive wire (not shown) drawn from the inside of the casing 10 to the outside.
  • the support substrate 31 is electrically connected to be a negative electrode.
  • the outer diameter of the support substrate 31 is 25 mm
  • the inner diameter is 19 mm
  • the thickness is 0.1 mm
  • the outer diameter of the electron beam emitting portion 32 is 24 mm
  • the inner diameter is 20 mm
  • the thickness is 0.
  • the area of the surface from which the electron beam is emitted in the electron beam emitting portion 32 is 138 mm 2 .
  • a metal material containing iron, nickel, cobalt, or chromium can be used as a material constituting the support substrate 31 .
  • a method for forming the electron beam emitting portion 32 made of carbon nanotubes on the support substrate 31 is not particularly limited, and a known method can be used.
  • the support substrate 31 having a metal catalyst layer formed on the surface is heated.
  • a carbon source gas such as CO or acetylene
  • a screen printing method or the like in which a paste containing carbon nanotube powder and an organic binder in a liquid medium is prepared, and this paste is applied to the surface of the support substrate 31 by screen printing and dried. it can.
  • a metal material containing any of iron, nickel, cobalt, and chromium can be used as a material constituting the extraction electrode 35.
  • the electric field control electrode 40 As a material constituting the electric field control electrode 40, a metal material containing any of iron, nickel, cobalt, chromium, aluminum, silver, copper, titanium, and zirconium can be used.
  • An example of the dimensions of the electric field control electrode 40 is as follows.
  • the inner diameter of the body 41 is 34 mm, the length in the axial direction is 12 mm, the inner diameter at the tip of the tapered portion 42 is 28 mm, the length in the axial direction is 3 mm, and the body 41
  • the inclination of the taper portion 42 with respect to the surface is 45 °, for example, the thickness of the cylindrical body constituting the electric field control electrode 40 is 0.3 mm, and the surface of the electron beam emitting portion 32 of the electron beam source 30 where the electron beam is emitted
  • the distance between the level and the level of the tip of the tapered portion 42 is 2 to 5 mm.
  • the material constituting the electron beam shielding electrode 45 in the illustrated example, the material of the metal wire forming the electron beam shielding electrode 45 is a metal such as aluminum, silver, gold, platinum, stainless steel, chromium, nickel, titanium, zirconium, etc. Can be used. Taking an example of the dimension of the metal wire forming the electron beam shielding electrode 45, the width of the metal wire is 100 ⁇ m, the thickness is 20 ⁇ m, and the arrangement pitch of the metal wires is 1500 ⁇ m.
  • the electron beam excitation type light source device when a voltage is applied between the electron beam source 30 and the extraction electrode 35, electrons are emitted from the electron beam emitting portion 32 in the electron beam source 30 toward the extraction electrode 35. Released. The electrons are accelerated toward the semiconductor light emitting device 20 by an acceleration voltage applied between the semiconductor light emitting device 20 and the electron beam source 30 to form an electron beam. Due to the voltage applied between the electron beam source 30 and the electric field control electrode 40, the electron beam from the electron beam source 30 is directed toward the surface 20a where the light in the semiconductor light emitting element 20 is emitted. The orbit becomes parabolic, and as a result, the electron beam is incident on the surface 20 a of the semiconductor light emitting element 20, that is, the surface of the active layer 25.
  • the inner surface of the light transmission window 15 is provided with an electron beam shielding electrode 45 that is electrically connected to the negative electrode side of the electric field control power supply 52 and maintained at a negative potential. It is prevented that the light transmission window 15 is irradiated by being shielded by the electrode 45.
  • the semiconductor light emitting device 20 electrons in the active layer 25 are excited by the incidence of the electron beam, and as a result, light such as ultraviolet rays is emitted from the surface 20 a on which the electron beam in the semiconductor light emitting device 20 is incident. Then, the light is emitted to the outside of the casing 10 through the light transmission window 15 in the casing 10.
  • the voltage applied between the electron beam source 30 and the extraction electrode 35 by the electron beam emission power source 51 is, for example, 1 to 5 kV.
  • the acceleration voltage of the electron beam applied by the electron acceleration power source 50 is preferably 6 to 12 kV.
  • the voltage applied between the electron beam source 30 and the electric field control electrode 40 by the electric field control power supply 52 is, for example, ⁇ 2 to 2 kV.
  • the electron beam shielding electrode 45 maintained at a negative potential is provided on the inner surface of the light transmission window 15 in the casing 10, Since the traveling electron beam is shielded, the light transmission window 15 is prevented from being irradiated with the electron beam. Therefore, the light transmission window 15 is not positively charged, and as a result, the electric field state in the casing 10 is stably maintained. As a result, the trajectory of the electron beam from the electron beam source 30 does not change. In this way, the light is reliably incident on one surface of the semiconductor light emitting device 20, so that high luminous efficiency can be obtained.
  • FIGS. 5A and 5B are explanatory views showing an outline of the configuration of the electron beam excitation light source device according to the second embodiment of the present invention, where FIG. 5A is a side sectional view and FIG. It is a top view which shows the state.
  • the electron beam shielding electrode 45 has a net-like shape made of a metal mesh, and a light transmission part is formed by an opening that forms a mesh.
  • the electron beam shielding electrode 45 is disposed at the upper end of the electric field control electrode 40 made of a cylindrical body so as to close the opening, and is electrically connected to the electric field control electrode 40.
  • An example of the size of the metal mesh constituting the electron beam shielding electrode 45 is 200 ⁇ m in line width, 50 ⁇ m in thickness, and 1000 ⁇ m in mesh pitch. Other specific configurations are the same as those of the electron beam excitation light source device according to the first embodiment.
  • the electron beam shielding electrode 45 is maintained between the light transmission window 15 in the casing 10 and the semiconductor light emitting element 20. Since the electron beam traveling toward the light transmission window 15 is shielded, the light transmission window 15 is prevented from being irradiated with the electron beam. Therefore, the light transmission window 15 is not positively charged, and as a result, the electric field state in the casing 10 is stably maintained. As a result, the trajectory of the electron beam from the electron beam source 30 does not change. In this way, the light is reliably incident on one surface of the semiconductor light emitting device 20, so that high luminous efficiency can be obtained.
  • FIG. 6 is an explanatory side cross-sectional view showing an outline of the configuration of the electron beam excitation light source device according to the third embodiment of the present invention.
  • an electron beam shielding electrode 45 made of a conductor having a light transmission part is provided on the outer surface of the light transmission window 15 in the casing 10.
  • the electron beam shielding electrode 45 in this example has a stripe shape in which a plurality of metal lines are formed so as to be spaced apart and arranged in parallel, and a light transmission part is formed by a slit between the metal lines.
  • the electron beam shielding electrode 45 is electrically connected to the negative electrode side of the electric field control side power supply 52 via a conductive wire.
  • Other specific configurations are the same as those of the electron beam excitation light source device according to the first embodiment.
  • the electron beam shielding electrode 45 maintained at a negative potential is provided on the outer surface of the light transmission window 15 in the casing 10, the light beam toward the light transmission window 15. Since the traveling electron beam is shielded, the light transmission window 15 is prevented from being irradiated with the electron beam. Therefore, the light transmission window 15 is not positively charged, and as a result, the electric field state in the casing 10 is stably maintained. As a result, the trajectory of the electron beam from the electron beam source 30 does not change. In this way, the light is reliably incident on one surface of the semiconductor light emitting device 20, so that high luminous efficiency can be obtained.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view for explaining the outline of the configuration of the electron beam excitation light source device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • an electron beam shielding electrode 45 made of a conductor having a light transmission part is embedded in the light transmission window 15 in the casing 10 along the surface direction.
  • the electron beam shielding electrode 45 in this example has a stripe shape in which a plurality of metal lines are formed so as to be spaced apart and arranged in parallel, and a light transmission part is formed by a slit between the metal lines.
  • the electron beam shielding electrode 45 is electrically connected to the negative electrode side of the electric field control side power supply 52 through a conductive wire drawn from the inside of the light transmission window 15 to the outside.
  • Other specific configurations are the same as those of the electron beam excitation light source device according to the first embodiment.
  • the electron beam shielding electrode 45 maintained at a negative potential is embedded inside the light transmission window 15 in the casing 10, the light beam transmission window 15 faces the light transmission window 15. Since the traveling electron beam is shielded, the light transmission window 15 is prevented from being irradiated with the electron beam. Therefore, the light transmission window 15 is not positively charged, and as a result, the electric field state in the casing 10 is stably maintained. As a result, the trajectory of the electron beam from the electron beam source 30 does not change. In this way, the light is reliably incident on one surface of the semiconductor light emitting device 20, so that high luminous efficiency can be obtained.
  • the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made as follows.
  • the electron beam shielding electrode 45 is electrically connected to the electric field control electrode 40 as long as it is maintained at a negative potential.
  • the electron beam shielding electrode 45 is electrically connected to the negative electrode side of the electron beam shielding power source 53 provided outside the casing 10 via a conductive wire.
  • the electron beam source 30 may be electrically connected to the positive electrode side of the electron beam shielding power source 53 via a conductive wire drawn from the inside of the casing 10 to the outside.
  • the voltage applied between the electron beam source 30 and the electron beam shielding electrode 45 by the electron beam shielding power source 53 is, for example, ⁇ 2 to 2 kV.
  • the specific shape of the electron beam source is not limited to an annular shape, or may be a partial annular shape, a rectangular plate shape, or other shapes.
  • the electron beam emission part 32 in the electron beam source 30 is not limited to what consists of carbon nanotubes, The thing of various structures can be used.
  • the taper portion 42 may have a cylindrical shape with uniform outer diameter and inner diameter in the axial direction.
  • the electron beam shielding electrode 45 is not limited to a stripe shape or a net shape, and may be made of a transparent conductive film such as an ITO film. In the case where the electron beam shielding electrode 45 is made of a light transmissive conductive film, the whole becomes a light transmissive portion.
  • the casing substrate (11) is made of Kovar glass, and the outer dimensions are 40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 30 mm, the wall thickness is 2.5 mm, and the opening of the casing substrate (11) is 35 mm ⁇ 35 mm.
  • the light transmission window (15) is made of sapphire and has a size of 40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 2.5 mm.
  • the pressure inside the casing (10) is 3 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa.
  • the semiconductor light emitting device (20) has a buffer layer (22) made of GaN of 2.4 ⁇ m on a substrate (21) made of sapphire by MOCVD using a source gas made of hydrogen, trimethylgallium and ammonia. thickness of was formed in a film thickness, then the carrier gas consisting of nitrogen, trimethyl gallium and trimethyl indium, the source gas consisting of ammonia used, the quantum well layer made of in 0.1 Ga 0.9 N (26) to 2.5nm of The active layer (25) is formed by repeating the step of forming the barrier layer (27) made of GaN with a film thickness of 15 nm.
  • the active layer (25) is formed of the quantum well layer (26 ), Six quantum well layers (26) and six barrier layers (27) in the order of barrier layers (27), and multiple quantum wells stacked alternately Those having an elephant.
  • the support substrate (31) is made of 426 alloy and has an outer diameter of 25 mm, an inner diameter of 19 mm, and a thickness of 0.1 mm.
  • the electron beam emitting portion (32) is made of carbon nanotubes, and has an outer diameter of 24 mm, an inner diameter of 20 mm, a thickness of 0.02 mm, and an area of the electron beam emitting portion (32) on which the electron beam is emitted is 138 mm 2. It is.
  • the extraction electrode (35) is made of 42 alloy, and the size of the opening forming the mesh is 1 mm ⁇ 1 mm and the thickness is 0.1 mm.
  • Electric field control electrode (40) is made of 316 stainless steel, the inner diameter of the body part (41) is 34 mm, the axial length of the body part (41) is 12 mm, the inner diameter at the tip of the taper part (42) is 28 mm, The axial length of the taper part (42) is 3 mm, the inclination of the taper part (42) with respect to the body part (41) is 45 °, and the thickness of the cylindrical body constituting the electric field control electrode (40) is 0.3 mm.
  • Electron beam shielding electrode (45) is a stripe-shaped electrode in which a plurality of metal lines made of aluminum are formed so as to be spaced apart from each other and arranged in parallel.
  • the metal line has a width of 100 ⁇ m and a thickness of 20 ⁇ m.
  • the arrangement pitch of the lines is 1500 ⁇ m.
  • the above-described electron beam excitation type light source device is turned on under the following conditions, and the spectral radiant intensity of light emitted from the electron beam excitation type light source device at a position 1 mm away from the light transmission window by the light receiver and the spectroscope. was measured. The results are shown in FIG.
  • Example 1 an electron beam excitation light source device having the same configuration except that no electron beam shielding electrode was provided was produced, and the spectral radiation intensity of light emitted from the electron beam excitation light source device was measured. The results are shown in FIG.
  • the horizontal axis indicates the wavelength of light emitted from the electron beam excitation light source device
  • the vertical axis indicates the spectral radiation intensity.

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Abstract

　光透過窓が帯電することがなく、電子線が半導体発光素子の一面に確実に入射されて高い発光効率が得られる電子線励起型光源装置を提供する。　光透過窓を有するケーシング内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が配置されてなり、前記半導体発光素子の一面に前記電子線源からの電子線が入射されることによって、当該半導体発光素子の一面から光が放射されて前記光透過窓から出射される電子線励起型光源装置において、前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する電子線遮蔽電極が設けられていることを特徴とする。

Description

電子線励起型光源装置
　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発光する半導体発光素子とを備えてなる電子線励起型光源装置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装置は、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１０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を有するケーシング８０を具えている。このケーシング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が配置されている。また、ケーシング８０内には、当該ケーシング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、ケーシング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用電源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から放出された電子は、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る。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から光が放射される。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、以下のような問題がある。
　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ため、当該半導体素子８２を冷却することが必要である。然るに、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ない。従って、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が考えられるが、電子線の加速電圧を高くしたときには、半導体発光素子８２からＸ線が発生する、という問題がある。
　このような問題を解決するためには、図１１（ａ）に示すように、半導体発光素子８２の周辺に電子線源８６を配置し、ケーシング内の電界を制御することにより、電子線源８６から放物線状の軌道に沿って進む電子線を半導体発光素子８２の一面に入射し、当該半導体発光素子８２の一面から光を放射して光透過窓８１から出射する構成が考えられる。このような構成によれば、半導体発光素子８２の他面から当該半導体発光素子８２を冷却することが可能となる。
　しかしながら、上記の構成の電子線励起型光源装置においては、以下のような問題があることが判明した。
　すなわち、図１１（ｂ）に示すように、電子線源８６からの電子線は、その一部が所期の軌道から外れたり、或いは半導体発光素子８２の一面に反射されたりすることによって、光透過窓８１に照射され、これにより、光透過窓８１において二次電子が放出されて当該光透過窓８１が正に帯電する。そのため、ケーシング内の電界状態が変化する結果、電子線源８６からの電子線が半導体発光素子８２の一面に確実に入射されず、発光効率が著しく低下する。
特許第３６６７１８８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、光透過窓が帯電することがなく、電子線が半導体発光素子の一面に確実に入射されて高い発光効率が得られる電子線励起型光源装置を提供することにある。
　本発明の電子線励起型光源装置は、光透過窓を有するケーシング内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が配置されてなり、前記半導体発光素子の一面に前記電子線源からの電子線が入射されることによって、当該半導体発光素子の当該一面から光が放射されて前記光透過窓から出射される電子線励起型光源装置において、
　前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する電子線遮蔽電極が設けられていることを特徴とする。
　本発明の電子線励起型光源装置においては、前記ケーシング内には、前記電子線源からの電子線の軌道を前記半導体発光素子の一面に向かって指向させる電界制御用電極が設けられていることが好ましい。
　このような電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極は、前記電界制御用電極に電気的に接続されていることが好ましい。
　また、本発明の電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極はストライプ状または網状のものであることが好ましい。
　本発明の電子線励起型光源装置によれば、ケーシングにおける光透過窓の内面または光透過窓と半導体発光素子との間に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極が設けられているため、光透過窓に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓に照射されることが防止される。そのため、光透過窓が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
本発明の第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）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装置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装置における半導体発光素子と電子線源との位置関係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装置における電子線源の構成を示す説明用断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は、光透過窓を取り外した状態を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明用側面断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明用側面断面図である。 本発明の電子線励起型光源装置の変形例を示す側面断面図である。 実施例１および比較例１に係る電子線励起型光源装置から放射される光の分光放射強度曲線図である。 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。 電子線を半導体発光素子の一面に入射して当該一面から光を放射する構成の電子線励起型光源装置において、電子線の軌道を示す説明図である。
　図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）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装置は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状のケーシング１０を有する。このケーシング１０は、一面（図１（ａ）において上面）に開口を有するケーシング基体１１と、このケーシング基体１１の開口に配置されて当該ケーシング基体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。
　ケーシング１０内には、半導体発光素子２０が、その表面（図１（ａ）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ている。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。図示の例では、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が半導体発光素子２０の表面２０ａと同方向を向いた姿勢すなわちケーシング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ている。この状態で、電子線源３０は支持部材３７を介してケーシング１０におけるケーシング基体１１の底壁に固定されている。半導体発光素子２０は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、ケーシング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用電源５０の正極側に電気的に接続されている。電子線源３０は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、電子加速用電源５０の負極側に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、ケーシング１０におけるケーシング基体１１の底壁に固定されている。
　ケーシング１０内において、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（ａ）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いる。この電界制御用電極４０の基端は、ケーシング１０におけるケーシング基体１１の底壁に固定されている。電子線源３０は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、ケーシング１０の外部に設けられた電界制御用電源５２の正極側に電気的に接続されている。電界制御用電極４０は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
　ケーシング１０における光透過窓１５の内面には、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が設けられている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
　ケーシング１０におけるケーシング基体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の絶縁物を用いることができる。
　また、ケーシング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、ケーシング１０の内部の圧力は、例えば１０-4～１０-6Ｐａである。
　ケーシング１０の寸法の一例を挙げると、ケーシング基体１１の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３２ｍｍ、ケーシング基体１１の肉厚が２．５ｍｍ、ケーシング基体１１の開口が３５ｍｍ×３５ｍｍで、光透過窓１５の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍ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がケーシング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。
　活性層２５は、それぞれ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。
　本発明においては、図３に示すように、半導体発光素子２０における電子線が入射される表面２０ａのレベルＬ１が、電子線源３０の電子線放出部３２における電子線が放射される面のレベルＬ２より当該半導体発光素子２０の光の放射方向（図１（ａ）および図３において上方向）に変位したレベル、すなわち半導体発光素子２０の表面２０ａの法線方向Ｘにおいて、電子線源３０の電子線放出部３２における電子線が放射される面より光透過窓１５に接近するよう変位したレベルとされていることが好ましく、具体的には、半導体発光素子２０における表面２０ａのレベルＬ１と、電子線放出部３２における電子線が放射される面のレベルＬ２との距離（変位量）ｄが２～５ｍｍであることがより好ましい。このような構成によれば、電子線放出部３２から放射される電子線の軌道を小さい電圧で容易に制御することができ、半導体発光素子２０の表面２０ａに一層高い効率で電子線を入射することができる。
　図４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例えば鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料よりなる支持基板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、ケーシング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、ケーシング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できる。
　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であり、電子線源３０の電子線放出部３２における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部４２の先端のレベルとの距離が２～５ｍｍである。
　電子線遮蔽電極４５を構成する材料、図示の例では、電子線遮蔽電極４５を形成する金属線の材質としては、アルミニウム、銀、金、白金、ステンレス、クロム、ニッケル、チタン、ジルコニウムなどの金属を用いることができる。
　電子線遮蔽電極４５を形成する金属線の寸法等の一例を挙げると、金属線の幅が１００μｍ、厚みが２０μｍで、金属線の配置ピッチが１５００μｍである。
　上記の電子線励起型光源装置においては、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る。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、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り、電子線源３０からの電子線は、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てその軌道が放物線状となり、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。このとき、電子線源３０からの電子線の一部は、所期の軌道から外れたり或いは半導体素子２０の一面に反射されたりすることにより、ケーシング１０における光透過窓１５に向かって進むが、光透過窓１５の内面には、電界制御用電源５２の負極側に電気的に接続されて負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、電子線は、電子線遮蔽電極４５によって遮蔽されて光透過窓１５に照射されることが防止される。　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、ケーシング１０における光透過窓１５を介して当該ケーシング１０の外部に出射される。
　以上において、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、例えば１～５ｋＶである。
　また、電子加速用電源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、高い光の出力を得ることが困難となる。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装置によれば、ケーシング１０における光透過窓１５の内面に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
　図５は、本発明の第２の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）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装置においては、電子線遮蔽電極４５が金属メッシュよりなる網状のものであり、網目を形成する開口によって光透過部が形成されている。この電子線遮蔽電極４５は、円筒体よりなる電界制御用電極４０の上端にその開口を塞ぐよう配置されて当該電界制御用電極４０に電気的に接続されている。電子線遮蔽電極４５を構成する金属メッシュの寸法の一例を示すと、線幅が２００μｍ、厚みが５０μｍ、網目のピッチが１０００μｍである。
　その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
　このような電子線励起型光源装置によれば、電子線遮蔽電極４５が、ケーシング１０における光透過窓１５と半導体発光素子２０との間に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
　図６は、本発明の第３の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明用側面断面図である。
　この電子線励起型光源装置においては、ケーシング１０における光透過窓１５の外面に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が設けられている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
　その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
　このような電子線励起型光源装置によれば、ケーシング１０における光透過窓１５の外面に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が設けられているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
　図７は、本発明の第４の実施の形態に係る電子線励起型光源装置における構成の概略を示す説明用側面断面図である。
　この電子線励起型光源装置においては、ケーシング１０における光透過窓１５の内部に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極４５が面方向に沿って埋設されている。この例の電子線遮蔽電極４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極４５は、光透過窓１５の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御側用電源５２の負極側に電気的に接続されている。
　その他の具体的な構成は、第１の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
　このような電子線励起型光源装置によれば、ケーシング１０における光透過窓１５の内部に、負の電位に維持された電子線遮蔽電極４５が埋設されているため、光透過窓１５に向かって進む電子線が遮蔽されることにより、電子線が光透過窓１５に照射されることが防止される。そのため、光透過窓１５が正に帯電することがなく、これにより、ケーシング１０内の電界状態が安定に維持される結果、電子線源３０からの電子線は、その軌道が変化することがなくて半導体発光素子２０の一面に確実に入射されるので、高い発光効率が得られる。
　以上、本発明の電子線励起型光源装置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装置において、電子線遮蔽電極４５は、負の電位に維持されれるのであれば、電界制御用電極４０に電気的に接続されていることは必須ではなく、例えば図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、電子線遮蔽電極４５が、ケーシング１０の外部に設けられた電子線遮蔽用電源５３の負極側に導電線を介して電気的に接続され、電子線源３０が、ケーシング１０の内部から外部に引き出された導電線を介して、電子線遮蔽用電源５３の正極側に電気的に接続されていてもよい。このような構成において、電子線遮蔽用電源５３によって電子線源３０と電子線遮蔽電極４５との間に印加される電圧は、例えば－２～２ｋＶである。
　また、電子線源の具体的な形状は、円環状に限定されず、または部分円環状、矩形の板状、その他の形状であってもよい。
　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、 種々の構成のものを用いることができる。
　また、電界制御用電極４０においては、テーパ部４２を形成することは必須のことではなく、例えば軸方向において外径および内径の各々が一様な円筒状のものであってもよい。
　また、電子線遮蔽電極４５は、ストライプ状または網状のものに限定されず、例えばＩＴＯ膜などの透明導電膜よりなるものであってもよい。電子線遮蔽電極４５が光透過性導電膜よりなるものである場合には、その全体が光透過部となる。
　以下、本発明の電子線励起型光源装置の具体的な実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
〈実施例１〉
　図１に示す構成に従い、下記の仕様の電子線励起型光源装置を作製した。
　ケーシング（１０）：
　ケーシング基体（１１）は、コバールガラスよりなり、その外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×３０ｍｍ、肉厚が２．５ｍｍであり、ケーシング基体（１１）の開口が３５ｍｍ×３５ｍｍである。光透過窓（１５）は、サファイアよりなり、その寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２．５ｍｍである。
　また、ケーシング（１０）の内部の圧力は、３×１０-5Ｐａである。
　半導体発光素子（２０）：
　半導体発光素子（２０）は、ＭＯＣＶＤ法によってサファイアよりなる基板（２１）上に、水素からなるキャリアガス、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を用い、ＧａＮよりなるバッファ層（２２）を２．４μｍの膜厚で形成させ、次に、窒素からなるキャリアガス、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウム、アンモニアからなる原料ガスを用い、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる量子井戸層（２６）を２．５ｎｍの膜厚で形成させ、ＧａＮよりなる障壁層（２７）を１５ｎｍの膜厚で形成させる工程を繰り返すことによって活性層（２５）が形成されたものであり、活性層（２５）は、量子井戸層（２６）、障壁層（２７）の順で量子井戸層（２６）を６層、障壁層（２７）を６層、交互に積層させた多重量子井戸構造を有するものである。
　電子線源（３０）：
　支持基板（３１）は、４２６合金よりなり、その外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍである。電子線放出部（３２）は、カーボンナノチューブよりなり、その外径が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。引き出し電極（３５）は、４２合金よりなり、その網目を形成する開口の寸法が１ｍｍ×１ｍｍ、厚みが０．１ｍｍである。
　電界制御用電極（４０）：
　電界制御用電極（４０）は、３１６ステンレスよりなり、胴部（４１）の内径が３４ｍｍ、胴部（４１）の軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部（４２）の先端における内径が２８ｍｍ、テーパ部（４２）の軸方向の長さが３ｍｍ、胴部（４１）に対するテーパ部（４２）の傾きが４５°、電界制御用電極（４０）を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍであり、電子線源（３０）の電子線放出部（３２）における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部（４２）の先端のレベルとの距離が３ｍｍである。
　電子線遮蔽電極（４５）：
　電子線遮蔽電極（４５）は、それぞれアルミニウムよりなる複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、金属線の幅が１００μｍ、厚みが２０μｍで、金属線の配置ピッチが１５００μｍである。
　上記の電子線励起型光源装置を下記の条件で点灯させ、受光器および分光器によって、光透過窓から外部に１ｍｍ離間した位置において当該電子線励起型光源装置から放射される光の分光放射強度を測定した。結果を図９に示す。
［点灯条件］
　電子線源（３０）における電子線放出部（３２）の電位：－８ｋＶ
　電子線源（３０）における引き出し電極（３５）の電位：－５．５ｋＶ
（電子線放出部（３２）と引き出し電極（３５）との間の電圧：２．５ｋＶ）
　電界制御用電極（４０）の電位：－９ｋＶ
（電子線放出部（３２）と電界制御用電極（４０）との間の電圧：－１ｋＶ）
　電子線遮蔽電極（４５）の電位：－９ｋＶ
　半導体発光素子（２０）の電位：０Ｖ（ＧＮＤ）
　加速電圧（電子線放出部（３２）と半導体発光素子（２０）との間の電圧）：８ｋＶ
〈比較例１〉
　実施例１において、電子線遮蔽電極を設けなかったこと以外は同様の構成の電子線励起型光源装置を作製し、当該電子線励起型光源装置から放射される光の分光放射強度を測定した。結果を図９に示す。
　図９において、横軸は電子線励起型光源装置から放射される光の波長、縦軸は分光放射強度を示す。この図の結果から明らかなように、実施例１に係る電子線励起型光源装置によれば、波長４０５ｎｍ付近において高い放射強度を有する光が放射されることが確認され、高い発光効率が得られることが理解される。
　これに対して比較例１に係る電子線励起型光源装置においては、波長４０５ｎｍ付近において放射強度のピークが弱くなり、波長３３０ｎｍ付近において放射強度のピークが認められた。これは、電子線が光透過窓に照射されることにより、当該光照射窓を構成するサファイア自身が励起されて発光したものと考えられる。
１０　ケーシング
１１　ケーシング基体
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
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
４０ａ　第１の電極部材
４０ｂ　第２の電極部材
４１　胴部
４２　テーパ部
４５　電子線遮蔽電極
５０　電子加速用電源
５１　電子放出用電源
５２　電界制御用電源
５３　電子線遮蔽用電源
８０　ケーシング
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　電子加速用電源

Claims (4)

  1. 　光透過窓を有するケーシング内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が配置されてなり、前記半導体発光素子の一面に前記電子線源からの電子線が入射されることによって、当該半導体発光素子の当該一面から光が放射されて前記光透過窓から出射される電子線励起型光源装置において、
    　前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極が設けられていることを特徴とする電子線励起型光源装置。
  2. 　前記ケーシング内には、前記電子線源からの電子線の軌道を前記半導体発光素子の一面に向かって指向させる電界制御用電極が設けられてい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装置。
  3. 　前記電子線遮蔽電極は、前記電界制御用電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電子線励起型光源装置。
  4. 　前記電子線遮蔽電極は、ストライプ状または網状のものであ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装置。
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