(57)【要約】      （修正有）【課題】光透過窓を有する真空容器と、真空容器内部において、表面が光透過窓に対向するよう配置された半導体発光素子と、半導体発光素子に電子線を照射する電子線源とを備えてなる電子線励起型光源装置において、電子線が半導体発光素子に入射することによって半導体発光素子の表面が帯電して、発光が不安定になったり、信頼性が低下したりすることのないような構造を提供する。【解決手段】電子線源３０が、半導体発光素子２０の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、半導体発光素子２０は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、突条部は、断面が三角形状であって、電子線源３０側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、電子線源３０とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過窓を有する真空容器と、
前記真空容器内部において、表面が前記光透過窓に対向するよう配置された半導体発光素子と、
該半導体発光素子に電子線を照射する電子線源と、
を備えてなる電子線励起型光源装置において、
前記電子線源が、前記半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、
前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、
該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことを特徴とする電子線励起型光源装置。
【請求項２】
該突条部は、該突条部の延在方向に直交する方向の断面が三角形状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装置。
【請求項３】
前記帯電防止膜は、アルミニウムの層で形成さ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子線励起型光源装置に関するものであり、特に、電子線源から放射された電子線によって励起されて発光する半導体発光素子を備えた電子線励起型光源装置に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような電子線励起型光源装置としては、特開平０９−２１４０２７号公報（特許文献１）や特許第３６６７１８８号公報（特許文献２）で開示されるように、電子線源から放出された電子を、該電子線源と半導体発光素子との間に印加された加速電圧によって加速して電子線を形成し、この電子線を半導体発光素子に入射させることによって、半導体発光素子を励起して光を放射する構成が採用されている。
【０００３】
図１０に、特許文献１の概略構成が示されており、ガラス製の真空容器７０内に電子線源７１と半導体発光素子７２とを備え、前記半導体発光素子７２において、前記電子線源７１からの電子線がその上面７２ａに入射され、該半導体発光素子７２内で発光した光は該入射表面７２ａから放射されて、真空容器７０外に放出されるものである。
また、図１１に、特許文献２の概略構成が示されており、ガラス製の真空容器８０内に、電子線源８１と半導体発光素子８２とが対向するように設けられており、前記半導体発光素子８２において、前記電子線源８１と対向する一表面８２ａに電子線が照射され、その入射表面８２ａとは反対側の表面から光が放射されて、真空容器８０外に放出されるものである。
【０００４】
近年、このような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装置として期待されており、具体的には、数Ｗクラスの高い出力が得られる小型のものが求められている。このため、電子線励起型光源装置は、半導体発光素子から発光を効率よく取り出す構造であることが望まれる。しかしながら、それにはまだ課題がある。
具体的に説明すると、半導体発光素子に電子線を照射すると、当該半導体発光素子の表面が電子線で帯電を起こすため、発光が不安定になったり、信頼性が低下したりするといった問題がある。
【０００５】
かかる問題に対しては、特許文献１および特許文献２等に開示されるものにおいては、半導体発光素子表面に金属膜（すなわち導電性膜）を形成し、当該素子の面の外部に電荷をリークする構成とすることで解消しようとしている。しかしながらそうした場合、電子線のエネルギーの一部がこの導電性膜に吸収されるという好ましくない事象が不可避的に生じるために、結局、出力を上げることができないという別の問題が発生することになる。
また、この導電性膜によるエネルギーの吸収分を補うためには、電子の加速電圧を高く設定しなければならないが、その場合は、装置内での放電やＸ線の外部への漏洩を防止するための対策を講じなければならず、装置が大型になってしまって、小型化の要請と逆行してしまうことになる。
【０００６】
また、特許文献１或いは特許文献２に記載の技術では、金属膜が共振器構造を形成するための反射鏡として構成されているものの、これによる効果は限定的である。すなわち、自然放出光を利用する場合は、導電性膜を半導体発光素子の表面に形成すると当該素子からの発光が遮光され、取り出すことができないため、このような導電性膜の構成では、発光を効率よく取り出すという課題の根本的な解決にはなっていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−２１４０２７号公報
【特許文献２】特許３６６７１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする課題は、基板上に発光層が形成された半導体発光素子に電子線源から放射された電子線を照射して、該半導体発光素子を励起して発光させる電子線励起型光源において、半導体発光素子の帯電を抑制できて、高い効率で光を放射することができる構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明に係る電子線励起型光源においては、前記電子線源が、前記半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことを特徴とする。
また、前記突条部は、該突条部の延在方向に直交する方向の断面が三角形状であることを特徴とする。
また、前記帯電防止膜は、アルミニウムの層で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電子線励起型光源によれば、基板に突条部が形成されているので、半導体発光素子内での全反射による光の閉じ込めがなく、発光層表面から効率良く光が放射される。
また、突条部の断面形状が三角形状であることで、電子線源側に形成されたテーパー面の全域で電子線を入射させることができ、その入射面積を大きくすることができる。
更には、突条部の電子線源とは反対にあって電子線入射には寄与しない側のテーパー面に帯電防止膜を設けたので、電子線入射を何等阻害することなく半導体発光素子の帯電を防止でき、更に、この帯電防止膜をアルミニウムの層で構成することにより、発光層で発生した光を反射して、この反射光が発光層から取り出されるので、放射光の高出力化に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の電子線励起型光源装置の側断面図。
【図２】図１の平断面図。
【図３】本発明における半導体発光素子の平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ部分断面図。
【図５】本発明の半導体発光素子を構成する基材の斜視図。
【図６】半導体発光素子の形成工程図。
【図７】半導体発光素子の部分断面図（Ａ）およびそのＸ部拡大図（Ｂ）。
【図８】突条部が台形の半導体発光素子の断面図。
【図９】光放出面が傾斜した電子線励起型光源装置の説明図。
【図１０】従来の電子線励起型光源装置の説明図。
【図１１】他の従来の電子線励起型光源装置の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１、２に本発明の電子線励起型光源装置１の全体構成が示されている。
図において、この電子線励起型光源装置１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を備え、この真空容器１０は、上面に開口を有する容器本体１１と、この容器本体１１の開口に配置されて当該容器本体１１に気密に封着された光透過窓１２とによって構成されている。
真空容器１０における容器本体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、真空容器１０における光透過窓１２を構成する材料としては、半導体発光素子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、容器本体１１の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍ、容器本体１１の肉厚が２ｍｍ、容器本体１１の開口が３６ｍｍ×３６ｍｍで、光透過窓１２の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍである。
【００１３】
真空容器１０内には、容器本体１１の底壁１１ａ上に半導体発光素子２０が設置されていて、該半導体発光素子２０の上面２０ａが光透過窓１２から離間してこれに対向するよう配置されていて、この上面２０ａが光放射面として機能する。
一方、容器本体１１の側壁１１ｂには、電子線源３０が固定されている。この電子線源３０は、ベース３１と、このベース３１上に形成された支持基板３２と、この支持基板３２上に形成された電子放出部３３と、更に、支持基板３２と電子放出部３３とは絶縁層３４を介して前方（電子放出側）に配置された引出し電極３５とから構成される。この電子線源３０の引出し電極３５の前方には電子線集束用電極３６が配置され、電子放出部３３からの電子を集束して電子線として、半導体発光素子２０に指向する。
前記電子放出部３３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いる。
かかる構成の電子線源３０は、容器本体１１の側壁１１ｂに取り付けられることにより、その電子放出部３２が、容器本体１１における対向する他方の側壁に向いた形態で配置されている。この配置構造により、電子線源３０からの電子線は、底壁１１ａ上の半導体発光素子２０の光放射面２０ａに対して側方から電子線を照射する配置関係になる。
【００１４】
図３、４に半導体発光素子２０の構造が示されていて、基板２１上には複数の突条部２２、２２が直線的に延在して形成されている。該突条部２２は、図４に示されるように、その延在方向に直交する方向での断面形状が三角形状であって、その表面である２つのテーパー面２２ａ、２２ｂの表層には、当該テーパー面に沿って発光層２３が形成されている。
そして、この突条部２２の一方のテーパー面２２ｂには、発光層２３上に帯電防止膜２４が形成されている。
これにより、突条部２２の一方のテーパー面２２ａは発光層２３が露出し、他方のテーパー面２２ｂには帯電防止膜２４が形成された状態となる。
【００１５】
このように形成された半導体発光素子２０は、図２で示されるように、真空容器１０内で、上面の突条部２２の延在方向が、電子線源３０からの電子線に対して直交するように配置される。そして、この半導体発光素子２０の突条部２２の発光層２３が露出したテーパー面２２ａが前記電子線源３０側に対向する位置に配置され、帯電防止膜２４を設けたテーパー面２２ｂがそれと反対側に位置するように配置されるものである。
【００１６】
図５には、このような導体発光素子２０を構成する基材２６が示されていて、該基材２６は、例えばサファイアよりなる平板状の基板２１と、その上面に積層された、例えばＡｌＮよりなる複数のバッファ層２５とからなる。このバッファ層２５は直線状に延在して、その断面形状が三角形状をなし、２つのテーパー面２５ａ、２５ｂを有している。このバッファ層２５が前述の突条部２２を構成し、その２つのテーパー面２５ａ、２５ｂが、それぞれ突条部２２のテーパー面２２ａ、２２ｂを構成する。
そして、図４に示されるように、上記構成の基材２６におけるバッファ層２５（突条部２２）のテーパー面２５ａ、２５ｂ（突条部２２のテーパー面２２ａ、２２ｂ）上に発光層２３が形成されるとともに、これらのうちの一方のテーパー面２５ｂ（テーパー面２２ｂ）では発光層２３上に帯電防止膜２４が積層形成されるものである。
【００１７】
このような構成の半導体発光素子２０は、図６に示すように、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、先ず、図６（Ａ）に示すように、サファイアよりなる基板２１材料の（０００１）面上に、フォトリソグラフィー法およびリアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ法）によって複数の直線状の溝２７を所定の間隔で並列に形成する。
次いで、図６（Ｂ）に示すように、基板２１における複数の溝２７が形成されてなる一面に、ＭＯＣＶＤ法により、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て気相成長させることによって、基板２１の溝２７の底部２７ａおよび溝間部２１ａの各々に、所定の厚みを有するＡｌＮからなる断面が直方体形状のバッファ層下部分２５ｃを形成する。
その後、図６（Ｃ）に示すように、処理温度、Ｖ／ＩＩＩ比および処理圧力などの気相成長条件を調整することにより、前記バッファ層下部分２５ｃ上に、ＡｌＮからなり、２つのテーパー面２５ａ、２５ｂを有する断面三角形状のバッファ層上部分２５ｄを形成する。これにより、バッファ層下部分２５ｃとバッファ層上部分２５ｄとからなるバッファ層２５が得られる。
【００１８】
こうして基板２１上に形成されたバッファ層２５におけるテーパー面２５ａ、２５ｂ上に、ＭＯＣＶＤ法により、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およびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることにより、所定の厚みを有するＩｎｘＡｌｙＧａ１−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を有する発光層２３を形成し、図４に示すような半導体発光素子２０を形成することができる。
ここに、ＩｎＡｌＧａＮよりなる量子井戸層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を形成する場合よりも低く設定すればよい。
【００１９】
前述の発光層２３および帯電防止膜２４についてさらに詳述すると以下の通りである。
図７（Ａ）（Ｂ）に示されるように、前述のようにして得られた半導体発光素子２０の突条部２２（バッファ層２５）のテーパー面２２ａ、２２ｂ（テーパー面２５ａ、２５ｂ）に形成される発光層２３は、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２８と単一または複数の障壁層２９とが、突条部２２（バッファ層２５）上にこの順で交互に積層されて構成されている。すなわち、突条部２２には、当該突条部２２におけるテーパー面２２ａ、２２ｂ上に、当該テーパー面に対して垂直な方向に、量子井戸層２８と障壁層２９とがこの順で交互に積層されることによって量子井戸構造が形成され、これによって発光層２３が形成されているものである。
量子井戸層２８の各々の厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。また、障壁層２９はその禁制帯幅が量子井戸層２８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。
また、発光層２３を構成する量子井戸層２８の周期は、量子井戸層、障壁層および発光層全体の厚みや、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。
【００２０】
このような半導体発光素子２０の具体的数値例を挙げると、基板２１はサファイアよりなり、その厚みは、６０μｍであり、また該基板２１に形成されている溝２７は、溝深さが１μｍ、溝幅が３μｍ、互いに隣接する溝２７の離間距離が３μｍである。また、バッファ層２５は、ＡｌＮよりなり、その厚みは、突条部２２を構成するバッファ層上部分２５ｄの厚み（突条部の高さ）が２．５μｍ、バッファ層下部分２５ｃの厚みが６００ｎｍである。また、発光層２３は、厚みが５００ｎｍのＡｌＧａＮ層よりなる。
【００２１】
このようにして形成された発光層２３の上に、選択的に帯電防止膜２４が形成される。
即ち、帯電防止膜２４は、電子線源３０より放出された電子線が入射されないテーパー面２２ｂ、つまり、電子線源３０とは反対側に位置される特定のテーパー面２２ｂ上に形成される。この帯電防止膜２４は、突条部２２の長さ方向に電気的に連続して形成されてさえいればよく、特定のテーパー面２２ｂの全域に形成されることは必須ではなく、一部であっても良い。
半導体発光素子２０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（不図示）を介して、該真空容器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用電源（図示せず）の正極側に電気的に接続される。帯電防止膜２４も半導体発光素子２０と同様に該導電線に電気的に接続されている。
このように、突条部２２の一方のテーパー面２２ｂには、発光層２３上に帯電防止膜２４が積層され、これが電子加速用電圧電源に接続されていることにより、電子線源３０に対向するテーパー面２０ａ上の発光層２３の表面に電荷が過剰に帯電することがなく、該発光層２３における発光を阻害することが抑制される。
【００２２】
この帯電防止膜２４は、例えば、以下の手順で作製することができる。
１．斜め蒸着（スパッタ）による方法：
基材２１の突条部２２のテーパー面２２ａ、２２ｂ上に発光層２３を全体に形成した後、一方のテーパー面２２ｂ上に真空蒸着装置やスパッタ装置で、例えば１００ｎｍのＡｌのアルミニウムの膜を形成する。
このとき、アルミニウムを蒸着（又はスパッタ）する際に、帯電防止膜２４を形成する突条部２２のテーパー面２２ｂを、蒸着（スパッタ）源と平行になるように半導体発光素子２０を配置する。
これにより、アルミニウムの膜が優先的に一方のテーパー面２２ｂに形成されるため、比較的簡便に、帯電防止膜２４としてのアルミニウム膜が得られる。
２．光リソグラフィーによる方法：
直線状の突条部２２を形成した半導体発光素子２０に光リソグラフィー法により所望の寸法および形状のマスクを作製する。
例えば、６μｍ周期で形成された断面形状が三角形状の突条部２２に対して、周期６μｍ幅３μｍの開口を持ったマスクを形成し、複数の突条部２２の同一側のテーパー面２２ｂに帯電防止膜２４を形成するようにする。
続いて、真空蒸着装置やスパッタ装置で帯電防止膜２４を所定の厚さまで形成する。具体的には、アルミニウム膜を１００ｎｍの厚さで形成する。
【００２３】
なお、上記実施例では、突条部２２の断面形状が三角形状のものを説明したが、これに限られず、図８に示すように、その断面形状が台形状であってもよい。
また、図１のものでは、半導体発光素子２０は真空容器１０内で水平に配置されたものを示したが、図9に示すように、その光放射面２０ａが、側方の電子線源３０の方に向かうように若干傾斜するように配置されていても良い。
更には、図１、２に示す電子線励起型光源装置１では、電子線源３０に対して一つの半導体発光素子２０を配置した例を示したが、一つの電子線源３０に対して複数の半導体発光素子２０が配置されていてもよく、更には、電子線源３０と半導体発光素子２０の組み合わせを一つの容器１０内に複数配設してもよい。
そして、これらの場合、複数個の半導体発光素子２０の帯電防止膜２４は電位が共通に接続されていることが好適である。
【００２４】
以上説明したように、本発明の電子線励起型光源は、電子線源が、半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことにより、半導体発光素子内での全反射による光の閉じ込めがなく、発光層表面から効率良く光が放射されるという効果を奏する。
また、突条部が一対のテーパー面を有するので、電子線源側に形成されたテーパー面の全域で電子線を入射させることができ、その入射面積を大きくすることができる。
更には、突条部の電子線源とは反対にあって電子線入射には寄与しない側のテーパー面に帯電防止膜を設けたので、電子線入射を何等阻害することなく半導体発光素子の帯電を防止できる。
加えて、この帯電防止膜をアルミニウムの層で構成することにより、発光層で発生した光を反射して、この反射光が発光層から取り出されるので、放射光の高出力化に寄与するものである。
【符号の説明】
【００２５】
１        電子線励起型光源
１０      真空容器
１１      容器本体
１１ａ    底壁
１１ｂ    側壁
１２      光透過窓
２０      半導体発光素子
２０ａ    光放射面（上面）
２１      基板
２２      突条部
２２ａ、２２ｂ    テーパー面
２３      発光層
２４      帯電防止膜
２５      バッファ層
２５ａ、２５ｂ    テーパー面
２６      基材
３０      電子線源
【図１】
2014049591.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2014049591.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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