(57)【要約】【課題】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てなる電子線励起型光源において、電子線源から半導体発光素子への電子線の入射が効率よく行われて、発光効率が向上する構造を提供することである。【解決手段】前記半導体発光素子には、互いに交差する電子線入射面と光出射面が形成され、前記電子線源が、前記半導体発光素子の電子線入射面と対向配置されるとともに、前記電子線入射面には電子線を透過させ、かつ、前記半導体発光素子の内部で発生する光を反射する光反射部材が形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線源と、該電子線源により放射される電子線により励起されて光を放射する半導体発光素子を具備してなる電子線励起型光源において、
前記半導体発光素子には、互いに交差する電子線入射面と光出射面が形成され、
前記電子線源が、前記半導体発光素子の電子線入射面と対向配置されるとともに、
前記電子線入射面には電子線を透過させ、かつ、前記半導体発光素子の内部で発生する光を反射する光反射部材が形成されていることを特徴とする電子線励起型光源。
【請求項２】
前記電子線入射面と前記光出射面は９０°で交差す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。
【請求項３】
前記半導体発光素子の電子線入射面と対向する背面が、反射機能を有するとともに、該背面からの反射光が前記光出射面側に向かうように傾斜し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。
【請求項４】
前記半導体発光素子の電子線入射面と対向する背面が、冷却ブロックに当接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。
【請求項５】
前記冷却ブロックが反射機能を有していることを特徴とする請求項４に記載の電子線励起型光源。
【請求項６】
前記半導体発光素子の電子線入射面と対向する背面が、鋸刃状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電子線励起型光源。
【請求項７】
前記半導体発光素子の底面および／または側面にも、光反射部材が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電子線励起型光源。
【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に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
電子線源からの電子線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。
このような電子線励起型光源は、例えば、特開２０１２−１０４６４１号公報（特許文献１）で開示されている。
図６は、かかる従来の電子線励起型光源の構成の概略を示す説明用断面図であって、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は平断面図である。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真空容器５０を備え、該真空容器５０は容器基体５１と光透過窓５２とからなる。
【０００３】
真空容器５０内には、容器基体５１の底壁に立設された高熱伝導材からなる支持台５５上に半導体発光素子６０が固定されていて、その電子線入射面６０ａが光透過窓５２に離間して対向するように（図６においては上方に向けて）配置されていて、この電子線入射面６０ａは光出射面としても機能する。
この半導体発光素子６０の周囲には、これを取り囲むように、円環状（リング状）の電子線源７０が配置されており、該電子線源７０は真空容器５０の容器基体５１の底壁に設けられた支持脚７４上に固定されている。そして、この電子線源７０は、円環状の支持基板７１上に円環状の面状電子線放出部７２が形成されてなるものであって、該電子線放出部７２は、電子線が放出される表面（上面）が真空容器５０の光透過窓５２を向いた姿勢に設けられている。
【０００４】
前記電子線源７０における電子線放出部７２は、カーボンナノチューブよりなるものであり、この電子線放出部７２の上方には、当該電子線放出部７２から電子を放出するための網状の引き出し電極７５が当該電子線放出部７２に離間して対向するよう配置されている。
そして、半導体発光素子６０および電子線源７０は、真空容器５０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５０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（図示省略）に電気的に接続されている。
【０００５】
このような電子線励起型光源においては、円環状の電子線源７０の電子線放出部７２から上方に向いて放射された電子線は、真空容器５０の中央に位置する半導体発光素子６０に向かい、その上面の電子線入射面６０ａから半導体発光素子６０に入射する。そして、該半導体発光素子６０内で電子線源により励起されて発光した光は電子入射面６０ａから出射して、上方の光透過窓５２から外部に取り出されるものである。
【０００６】
このように、上記従来技術においては、ともに上方を向いた電子線源７０と半導体発光素子６０との間で電子線の出射と入射がなされるので、半導体発光素子６０の電子入射面６０ａに対して効率良く電子線が入射されているとはいえず、発光効率が思うように向上しないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１０４６４１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、電子線源により放射される電子線により励起されて光を放射する半導体発光素子を具備してなる電子線励起型光源装置において、電子線源から放射された電子線が効率良く半導体発光素子の電子線入射面に入射することによって、半導体発光素子の発光効率が向上し、かつ、発光した光を効率的に出射させて、光出力を増大させることができる構造を提供することにある。
【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、前記半導体発光素子には、互いに交差する電子線入射面と光出射面が形成され、前記電子線源が、前記半導体発光素子の電子線入射面と対向配置されるとともに、前記電子線入射面には電子線を透過させ、かつ、前記半導体発光素子の内部で発生する光を反射する光反射部材が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記電子線入射面と前記光出射面は９０°で交差することを特徴とする。
また、前記半導体発光素子の電子線入射面と対向する背面が、反射機能を有するとともに、該背面からの反射光が前記光出射面側に向かうように傾斜していることを特徴とする。
また、前記半導体発光素子の電子線入射面と対向する背面が、冷却ブロックに当接されていることを特徴とする。
また、前記冷却ブロックが反射機能を有していることを特徴とする。
また、前記半導体発光素子の電子線入射面と対向する背面が、鋸刃状に形成されていることを特徴とする。
また、前記半導体発光素子の底面および／または側面にも、光反射部材が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電子線励起型光源によれば、電子線源と半導体発光素子の電子線入射面とが対向して配置されているので、電子線源からの電子線が効率良く半導体発光素子に入射されて、半導体発光素子の発光効率が向上する。
しかも、前記電子線入射面には、電子線を透過させ、前記半導体発光素子の内部で発生する光を反射する光反射部材が形成されているので、半導体発光素子内で発光した光は、光反射部材によって該半導体発光素子内で反射して、前記電子線入射面と交差する光出射面から出射されるので、光が効率的に外部に取り出されて光出力が増大する。
また、前記電子線入射面と対向する背面に反射機能を持たせて、この背面を傾斜させることにより、半導体発光素子内で発生した光は、背面側でも反射されて光出射面に向かうので、更に効率的な光出射が得られる。
また、前記半導体発光素子の背面が冷却ブロックに当接しているので、半導体発光素子がよく冷却されて、発光効率が低下することがない。
更に、前記半導体発光素子の底面および／または側面にも光反射機能を持たせたことにより、半導体発光素子内での光がもれなく反射されて、光出射面から効率的な光出射がなされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の電子線励起型光源の側断面図（Ａ）と平断面図（Ｂ）。
【図２】本発明の半導体発光素子の断面図。
【図３】本発明の半導体発光素子の反射機能を説明する模式図。
【図４】半導体発光素子の電子線入射面と光出射面の変形例の断面図。
【図５】半導体発光素子の背面側の変形例の断面図。
【図６】従来の電子線励起型光源の側断面図（Ａ）と平断面図（Ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の電子線励起型光源１の全体構成の概略を示す説明図であり、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は平断面図である。
この電子線励起型光源１は、内部が負圧の状態で密閉された直方体状の真空容器１０を有し、この真空容器１０は、上面に開口を有する容器基体１１と、この容器基体１１の上面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１２とによって構成されている。
【００１４】
真空容器１０内には、底壁から立設された支持台２８に半導体発光素子２０が支持固定されていて、詳細を後述する該半導体発光素子２０は、互いに交差する電子線入射面２０ａと光出射面２０ｂとを有していて、該光出射面２０ｂが前記容器１０の光透過窓１２に離間して対向するように配置されている。
また、真空容器１０内で支持脚３８によって電子線源３０が支持されていて、該電子線源３０は、支持基板３１と、カーボンナノチューブなどからなる電子放出部３２と、グリッド３３とからなる。そして、この電子線源３０は、前記半導体発光素子２０の電子線入射面２０ａと直接対向する位置に配設されている。
なお、前記電子線源３０の前方の、半導体発光素子２０との間には、電子線集束用電極４０が支持脚４８によって支持されて配置されている。
【００１５】
前記半導体発光素子２０および前記電子線源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。
例えば、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。
【００１６】
図２に半導体発光素子２０の詳細が示されている。
半導体発光素子２０は、サファイアよりなる基板２１を有し、該基板２１上にはバッファー層２２が形成され、該バッファー層２２上に活性層２３が形成され、更に、該活性層２３上には光反射部材２４が形成されている。
この光反射部材２４が形成されている部分が、半導体発光素子２０の電子線入射面２０ａとなっていて、この電子線入射面２０ａが、図１で示されるように、電子線源３０と対向配置されている。
また、この半導体発光素子２０は、前記電子線入射面２０ａと交差するように、その上面が光出射面２０ｂとなっている。つまり、電子線の入射方向とは異なる方向に光出射がなされるものである。
【００１７】
しかして、前記基板２１の厚さは、約４００μｍ程度である。
また、前記活性層２３は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ／ＡｌＮ多重量子井戸構造であり、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮとＡｌＮのぞれぞれの層を積層したものであり、その厚さは約１００ｎｍである。この活性層２３に電子線が入射することによって、波長３００ｎｍ以下の紫外光が発生するものである。
前記バッファー層２２は、前記基板２１上に直接ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ／ＡｌＮ多重量子井戸構造となる結晶層を形成することができないので、下地となる干渉層のことであり、その厚さは約６００ｎｍである。
【００１８】
前記活性層２３上に形成された前記光反射部材２４は、膜厚１００ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）の薄膜であり、その反射率は９０％以上である。
この光反射部材２４は、１０ｋｅＶの加速電子が入射すると、この薄膜で０．８ｋｅＶ程度の運動エネルギーを損失し、活性層２３に入射する時の運動エネルギーは９．２ｋｅＶになる。
電子線を入射する表面２０ａに形成するＡｌの薄膜からなる光反射部材２４の膜厚の上限としては、膜中における加速電子のエネルギー損失が１ｋｅＶ以下であることが好ましく、膜厚は２００ｎｍ以下が好ましい。
この光反射部材２４として、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）なども利用できるが、反射率として３０％程度であり、しかも、反射部材となる膜における加速電子のエネルギー損失率がＡｌに比べて２倍以上と高いので、これらを使用する場合には、膜厚を１００ｎｍ以下にする必要がある。
【００１９】
そして、前記半導体発光素子２０には、その底面にも光反射部材２５が形成されており、更に、図２では示されないが、同図の紙面に直交する方向の両側面にも光反射部材２６が形成されている。なお、この光反射部材２６は、後述する図３において示されている。
【００２０】
また、前記半導体発光素子２０の電子線入射面２０ａと対向する背面２０ｃは、前記支持台２８に当接されている。該支持台２８は高熱伝導材からなり、半導体発光素子２０を冷却する冷却ブロックとして機能する。
更に、該支持台２８の半導体発光素子２０が当接する部位を鏡面仕上げなどすることで反射機能を持たせることができる。なお、支持台２８とは別に、前記半導体発光素子２０の前面２０ａや底面、あるいは側面と同様に、その背面２０ｃに光反射部材を設けることにより反射機能を持たせるようにしてもよい。
【００２１】
この半導体発光素子２０の背面２０ｃは、図２において、該背面２０ｃで反射された光が上面の光出射面２０ｂ側に向かうように上向きに傾斜している。
したがって、前記支持台２８の当接部分も、この背面２０ｃの傾斜に合わせて上面側に傾斜している。
上記の構成において、電子線入射面２０ａから半導体発光素子２０に電子線が入射し、該電子線によって素子２０の活性層２３で光が発生する。この光は、素子２０の各面に付与された反射機能によって素子２０内で反射を繰り返し、やがて上面の光出射面２０ｂから出射されていくものである。
【００２２】
図３に、半導体発光素子２０に入射した電子線と、これにより素子２０内で発光した光の進行の一例を説明してある。
図３（Ａ）に示されるように、半導体発光素子２０の電子線入射面２０ａから電子線が入射し、これによって素子２０内で発生した光は、半導体発光素子２０の電子線入射面２０ａ、背面２０ｃ、底面２０ｄ、側面２０ｅに付与された反射機能によってそれぞれ反射され、やがて上面の光出射面２０ｂから外部に出射される。
図３（Ｂ）には、背面２０ｃにおける光の反射、および、図２で示す支持台（冷却ブロック）２８による冷却作用が説明されていて、半導体発光素子２０の熱は、この背面２０ｃを介して冷却ブロック２８に放熱される。
図３（Ｃ）には、底面２０ｄの反射部材２５および側面２０ｅの反射部材２６による光の反射が説明されていて、ここでも光は種々の方向に反射される。
図３（Ｄ）には、半導体発光素子２０内で反射を繰り返した光が、光出射面２０ｂから外部へ出射されることが説明されている。
【００２３】
図４は、半導体発光素子２０の電子線入射面２０ａと光出射面２０ｂの交差の関係の種々の変形例を示す図である。
（Ａ）は、両者の交差角度が９０°の例であり、通常はこの角度が好ましい。（Ｂ）は鈍角の例である。（Ｃ）は（Ａ）の変形であって、両者が直接的に交差するものでなく、傾斜面２０ｇを介して交差している。
なお、光出射面２０ｂは、必ずしも平坦面である必要はなく、出射方向に膨出していてもよく、その場合、電子線入射面２０ａと光出射面２０ｂが交差するとは、電子の入射方向と光の出射方向とが一致せず、光出射面２０ｂからの出射光の殆ど全てが方向転換されているような関係にあればよい。
また、光出射面に粗面加工や凹凸加工を施して、出射光を拡散光としてもよい。
【００２４】
上記したように、半導体発光素子２０の背面２０ｃは、反射光が光出射面２０ｂの方向に向かうように傾斜しているが、図５に示されるように、その傾斜は鋸刃状としてもよい。この場合、背面２０ｃに到達した光は、冷却ブロック（支持台）２８、もしくは、背面２０ｃに形成された鋸刃状の光反射部材によって反射されて上方の光出射面２０ｂに向かうものである。
【００２５】
以上説明したように、本発明の電子線励起型光源では、半導体発光素子に、互いに交差する電子線入射面と光出射面が形成され、電子線源が、前記半導体発光素子の電子線入射面と対向配置されることにより、電子線源からの電子線が半導体発光素子の電子線入射面に直接的に効率よく入射するので、発光効率が非常に向上するという効果を奏する。
また、前記電子線入射面には電子線を透過させ、かつ、前記半導体発光素子の内部で発生する光を反射する光反射部材が形成されていることにより、光が半導体発光素子内で反射されて、前記光出射面から出射されることになるので、光が効率的に外部に取り出されて光出力が増大する。
また、半導体発光素子の背面を冷却ブロックに当接させることにより、半導体発光素子が冷却されて、発光効率の低下を未然に防止できる。
しかも、半導体発光素子の背面、底面、側面にも反射機能を付与することにより、半導体発光素子内の光が無駄なく光出射面から外部に出射されて、光出力が一層増大する。
【符号の説明】
【００２６】
１        電子線励起型光源
１０      真空容器
１１      容器基体
１２      光透過窓
２０      半導体発光素子
２０ａ    電子線入射面
２０ｂ    光出射面
２０ｃ    背面
２０ｄ    底面
２０ｅ    側面
２１      基板
２２      バッファー層
２３      活性層
２４      （電子線入射面の）光反射部材
２５      （底面の）光反射部材
２６      （側面の）光反射部材
２８      支持台（兼冷却ブロック）
３０      電子線源
３１      支持基板
３２      電子放出部
３３      グリッド
４０      電子線集束用電極
【図１】
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【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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