(57)【要約】【課題】  特別の構造により、エネルギー変換効果を高めることができたレーザー発光構造体を提供することである。【解決手段】  レーザー発光体として、ＩＩ‐ＶＩの元素の単結晶を平面アノード表面上に形成し、その発光体を励起するためにナノカーボングラファイトを表面に形成したカソード１を用いて、アノード２表面に形成された前記単結晶に、前記カソードからの電子ビーム３を当て、電界発光の結果としてレーザー発光１５を起こす構造を有することを特徴とするレーザー発光構造体である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料或いは酸化物材料のアモルファス、多結晶、単結晶をレーザー発光体とし、該発光体を平面アノード表面上に形成し、その発光体を励起するためにナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチュ‐ブを用いて作成したカソードから電界効果放出により得られる電子線を該発光体に照射し、その結果得られる発光を共振ミラーによりレーザー発光させる構造を有することを特徴とするレーザー発光構造体。
【請求項２】
該カソードは、長尺平面体、線状、メッシュ状の平面体または円筒形であり、その表面にナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチュ‐ブを形成し、それに対する位置に、該発光体層をアノード表面に設けたアノードを配置したことを特徴とする請求項１に記載のレーザー発光構造体。
【請求項３】
カソードは、長尺平面体であり、その表面にナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチュ‐ブ層を形成し、これに平行な位置に、鏡面反射層５、平面アノード６の順に配置し、該平面アノードは全体として、平面体或いは円筒形をなし、円筒形の場合は、底面と頂部平面には透明基体８と鏡面１４を設け、その平面からレーザーを発射することを特徴とする請求項１に記載のレーザー発光構造体。
【請求項４】
アノードとカソードとの間は、レーザー発光することが可能な真空度に保持されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー発光構造体。
【請求項５】
発光のアノードの前部位置には、集光レンズを設け、発射された発光ビームを平行に保持することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー発光構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイの照明、光ビーム発生のために利用できるレーザー発光構造体及びそれを用いた光学的放射源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のレーザー結晶が、人間活動の各分野で、視覚のために作製されている。圧倒的に多い場合において、光源の作動原理は、光に電流変換することを意味している。空間の用途に依存して、光源は、放射強度と方向性、そのスペクトル分布、全寸法及びその他の特性に関する正確な要件をみたさなければならない。
【０００３】
１９５０年代から半導体を用いたレーザーの開発は進められた。半導体レーザーは一般的にダブルヘテロ構造から成る。そのために、レーザー発光構造が複雑になる。また、発光原理上、必ず、真性半導体、ｐ型或いはｎ型の２種類以上の半導体材料が必要である。
【０００４】
それに対して、電子ビームを発光体に当てることにより行う、電界発光は、熱、フォトン及び他の種の励起発光とは異なり、カソード（エミッター）材料中でエネルギー吸収がなくて、発光するので、高効率光源を提供する。
【０００５】
更に、その単純な構造により、構造コストを基本的に低下でき、更に、電子発光では、大きなパワーが得られ、明るい照明が容易に得られる。
【０００６】
然し乍ら、電界‐発光カソードを用いて、実用的に十分高い電流密度を有する電子ビームを提供するためには、カソード表面に効果的な非常に高い電界強度（１０８〜１０９Ｖ／ｍ）を印加しなければならない。
高い電界強度を得て高強度電子ビームを実現するために、カソードは尖針状とされるが、通常、サブミクロン程度の大きさのカソードからの発光は、非常に不安定であり、このため、電界効果発光は、広い目的の装置や機器でのチップ‐及びエッジ‐タイプの電界発光カソードの使用を基本的に妨げている。
【０００７】
現在知られる光源は、導電性材料の小さいフィラメントが、電界‐発光カソードとして使用されるカソード発光光源（例えば、ＷＯ９７／０７５３１）である。このタイプのランプでは、カソードは、真空ガラスバルブ内に閉じ込め、その内側表面には、アノードとして機能する透明な導電性コーティングがある。電子線励起により発光する発光層は、その導電性コーティング上に形成される。然し乍ら、このような構成での欠点の１つは、電子発光に必要な十分に高い電界強度を与え、そして、実用的な目的にかなうように、アノードとカソードの間に電圧値を与えるために、非常に小さい直径（１μｍ〜１５μｍ）のフィラメントを使用しなければならないことである。
【特許文献１】ＷＯ００／４０５０８
【特許文献２】ＷＯ９７／０７５３１
【特許文献３】特開２００２―３５８８７３
【特許文献３】特開２００１―３１９５６０
【特許文献４】特開２００５―４４６１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の基本的な課題は、ナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチューブを用いて作成したカソードから電界放出により安定的に得られる電子線を発光体に照射し、共振ミラーによりレーザー発光させるレーザー発光構造体或いは発光ランプを提供することである。
【０００９】
本発明の第２の課題は、半導体レーザーのように、ヘテロ構造をとる必要がなく、単純構造で、発光体もｎ型かｐ型或いは真性型をとればよいという比較的に簡単な構造体で作製できるレーザー発光構造体を提供することである。
【００１０】
更に、第３の課題は、半導体レーザーのように、量子井戸構造をとる必要のない、単純構造で作製できる、輝度の大きく、高パワーのレーザー発光構造体を提供することである。
【００１１】
本発明の第４の課題は、発光色も、単結晶、多結晶へのドーピングの種類と量を変えることにより、容易に制御できるレーザー発光構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記のような課題を解決するために、鋭意研究の結果、発光アノードが平面であり、面光源として使用でき、ナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチューブを用いて作成したカソードから電界放出により安定的に得られる電子線を発光アノードに照射し、共振ミラーによりレーザー発光させるレーザー発光構造体を発明した。それは、輝度とパワーを高めることができる光源として利用できることが分かった。以下の各項の構成である。
【００１３】
(１)レーザー発光体として、半導体或いは酸化物材料のアモルファス、多結晶、単結晶発光体を平面アノード表面に形成し、その発光体を励起するためにナノカーボングラファイトを表面に形成したカソードを用いて、平面アノード表面に形成された前記アモルファス、多結晶、単結晶発光体に、前記カソードからの電子ビームを当て、電界発光の結果としてレーザー発光を起こす構造を有するレーザー発光構造体である。
【００１４】
(２)そのカソードは、長尺平面体、線状、メッシュ状の平面体または円筒形であり、その表面にナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチュ‐ブを形成し、それに対する位置に、該発光体層をアノード表面に設けたアノードを配置されたものである。
(３)そのカソードは、長尺平面体であり、その表面にナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチュ‐ブ層を形成し、これに平行な位置に、鏡面反射層５、平面アノード６の順に配置し、該平面アノードは全体として、平面体或いは円筒形をなし、円筒形の場合は、底面と頂部平面には透明基体８と鏡面１４を設け、その平面からレーザーを発射する。
【００１５】
(４)その平面アノードと平面カソードとの空間は、レーザー発光が可能な真空度に保持されている。
(５)その平面発光のアノードの前部位置には、集光レンズを設け、発射された発光ビームを平行に保持する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の基本的な構造は、図１に示されるように、電子銃部と発光部の２つの装置で構成される。電子銃部は、ナノサイズカーボンを蒸着したカソード１とITO或いはアルミニウムなどの金属のアノード２で構成される。アモルファス、多結晶、単結晶発光体の発光部は、発光体５を２枚の誘電体４と６で挟んで構成される。
【００１７】
本発明のレーザー発光構造体に利用する炭素材料は、一般的には、既知の技術であり、電界発光が、非常に低い電界強度（１０６  〜１０７  Ｖ／ｍ）で発生することが知られている。これは、その構造要素がナノメーター寸法のためであり、また、ナノ構造の炭素に固有の電子特性によるものである（特許文献１参照）。電子エミッター（カソード）として、そのような材料を用いると、電子ビームを作るためのアノードとカソードの間にかけられる電圧値を基本的に低下できるものである。
【００１８】
即ち、本発明のレーザー発光構造体に用いられるそのような炭素材料としては、請求項に挙げられるように、ナノカーボングラファイト或いはカーボンナノチュ‐ブをカソード表面上に形成して用いる。
即ち、［ナノカーボングラファイト］とは、サブミクロン程度のサイズで粒子分布の幅が少ないカーボングラファイト結晶である。
図４は、本発明装置に用いられるナノカーボングラファイトをシリコンの上に析出させた薄膜の顕微鏡写真である。加速電圧２５．０ｋＶで析出させたもので、写真中の目盛り全目盛り幅は５０マイクロメーターであり、１０００倍の顕微鏡写真である。図５は、そのナノカーボングラファイト析出薄膜の元素分析のチャートであり、カーボンとシリコンの線が現れる。図６は、そのナノカーボングラファイト析出薄膜の薄膜Ｘ線回折チャートを示す。●はシリコンの回折線であり、〇はカーボンの回折線であることを示す。
【００１９】
また、［カーボンナノチュ‐ブ］とは、サブミクロン程度の径のチュ‐ブ状のカーボンをいう。
［カーボンナノチューブ］の作製には金属触媒が使用されており、この方法で作製された［カーボンナノチューブ］は金属触媒を含んでいる。この［カーボンナノチューブ］を電子エミッターとして使用するとナノチューブ表面に金属触媒粒子が偏析し、電子放出効率が低下する。発光に必要な電子放出効率を得るためには、化学的な処理により金属微粒子を取り除かなければならない。
【００２０】
このような発光体に固有の他の欠点は、発光体に電子線が照射されると発光体の一部が蒸発し、円筒形ガラスバルブの内側表面上に円筒形ガラスバルブの内側表面上にその発光体が析出することである。その層により放射された光の一部は、光が透明ランプ表面を通過する場合に、吸収され、それにより、光への電気エネルギー全変換効率が悪影響を受けることである。
【００２１】
本発明では、１ｍｍ程度の厚さに切断された発光体単結晶としてII‐VI族、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、III-V族、酸化物などの単結晶試料や層状オキシサルファイド(LaO)CuSまたは、アモルファスＡｌ２Ｏ３を用い、図１の断面図に示すような２つの誘電体ミラーで挟まれる位置に配置される。これら全体は真空容器中に封入される。II-VI,III-Vの発光体の代わりに量子移動基盤を用いることもできる。
本発明の更なる好適な具体例では、光源は、真空にされる透明な外被体中に封入されたベースに設けられる。
【００２２】
本発明によるレーザー発光装置は、図１に示されるような原理的に示された断面構造体をとる。負電極に結合されたカソード１は，膜厚１μm以下で正電極と結合したITOのアノード２に平行な位置に置かれ，電圧を印加することで電子ビーム３を得る．ここで，カソード表面には，電極間に印加された電界により高い効率で電子線を発生できる炭素系のナノカーボン素材薄膜層が形成されている．この素材としては，ナノメーター−サイズのグラファイト結晶が、著しく好適である。ITOの背面には、膜厚1μm以下の良好な光反射性を有する金属または反射率が90%以上の誘電体層４が形成され、これに対向する位置に発光体５が配置される。誘電体６には透明基板７が構造支持のために配置される。電子線照射による得られる光を反射し，位相をそろえるための反射率が90%以上の誘電体ミラー６が発光体に対向する位置に置かれる。２つのミラーにより位相がそろえられた光は、強度がある値以上になるとレーザー光１５となり発せられ、レンズ１０により平行光あるいは集光されたレーザーにされる。
【００２３】
一般的に、本発明のレーザー発光構造体では、その平面状のアノードは、長尺平面体であり、その平面全体から発光する。
そして、例えば、次のようなパラメータ条件で行う。
発光材料：ＺｎＳ，真空度＝１０‐６Ｔｏｒｒ
このとき、発光構造体からの発光強度は、印加電圧に依存して次のように変化する。
印加電圧＝  ４ｋＶ、発光強度＝  ２０，０００ｃｄ／ｍ２
印加電圧＝  ５ｋＶ、発光強度＝  ３０，０００ｃｄ／ｍ２
印加電圧＝１０ｋＶ、発光強度＝１００，０００ｃｄ／ｍ２
【００２４】
カソードは、図２に示されるように、負電位をかけられるように、真空容器の外側で負電極と電気的に結合されている。即ち、アノード３とカソード２の間に、予め決めた動作電圧値になるように電位がかけられ、必要な大きさの電子発光電流になるために必要なカソード上で効果にある電界強度のレベルになる。
例えば、１．２５×１０６Ｖ／ｍの値以上の必要な電界強度が、長さｌと幅ｗ の長方形面積ｓのカソードにより、
面積Ｓmm２ のアノードに対して
（Ｉ）Ｆ＝Ｖ／［ｄ  ｌｎ（Ｓ／ｓ）］によれば、４ｋＶ以上の電圧（Ｖ）で達せられる。
従って、４ｋＶ以上のボルトをかけると、カソードから発射される電子は、電極間の空間で速度が促進され、アノード表面発光での電子‐励起発光が可能になる。
【００２５】
本発明の装置では、電子ビームの強度を制御することのできる引き出し電極を使用することができる。この電極に与える電圧を適当に選択することにより、空間電荷の状態を調整し、電子ビーム強度を制御する。これらの全ての電極は、ランプ内部の位置に固定され、必要なレベルまで真空にされ、気密シールされる。ランプ内部を長い間にわたり、必要な真空レベルに保持するために、ゲッターを使用できる。
【００２６】
本発明によるカソード発光の１例は、図２に示すような構造の発光体として示される。このような場合、ランプは、レーザー光１５の出る面を前面に設け、発光体から光束を制御することもできる。
【００２７】
カソード表面１は、ナノカーボングラファイト蒸着層で被膜されている。アノードは、平面形体のもので、その表面は、ＩＴＯ若しくはアルミニウム等でコーティングされる。そして、誘電体鏡面層４を介して、発光体層５を設け、鏡面体６を設ける。カソードから発射された電子ビームの効果により、発光体５は発光し、鏡面体４と６との間に共鳴されて、レーザー発光が起こる。
なお、予め決めた間隔をとって機械的に固定されたカソードとアノードは、互いに電気的に結合されている。
【００２８】
図１は、アノード２とカソード１を備え、アノードとカソードを互いに隔離し、カソード表面１（ナノカーボングラファイト層表面）で生成した電子ビーム３をアノード２表面に当てて、アノード中の発光体層５で発光した光が、誘電体の鏡面体４と７の間で増幅変調を受け、レザービーム１５の形で発射され、光束１５が発射する平面ランプ装置を図式的に示す。この装置は、機密シールで真空に置かれた外被体（図示せず）中に設置される。
【００２９】
図２は、本発明により作製した平面型レーザー発光構造体の具体例を示す断面図である。この場合、カソード１は平面電極体であり、その表面にナノカーボングラファイト薄層（約２μｍ厚）が蒸着形成されている。発光体層５は，反射率が90 %以上である誘電体ミラー４，６で挟まれ，これらは，カソード１とアノード２の間に配置される．装置全体は，透明な外被体中１１に保持され，真空封入される。
【００３０】
カソード１は、平面の蒸着ナノカーボングラファイト層３から電子ビーム１５を発射させる。電子ビーム３は、アノード２の鏡面体層から浸透し、発光体層６に当たり、光束を発する。この場合、カソードとアノードの発光体との距離は、０．１〜３０．０ｍｍであり、カソードのサイズは、例えば、２５×２５ｍｍとし、外被体中は、１気圧より低い真空度とする。 ナノカーボングラファイト薄層の厚さは、約２μｍであり、発光体層の厚さは、０．１〜１ｍｍである。
【００３１】
図３は、カソード１と円筒形アノード２に電圧を印加して得られる電子ビーム３を、内側にある発光体層５に照射し、電子線発光させ、その光は、左右及び上下に設けた誘電体或いは絶縁体で構成される鏡面体４，６，８，９の間で共振を起こし、レーザー結晶発光が、右の鏡面体９から発射するレーザー結晶発光構造体の具体例を示す断面図である。即ち、鏡面体８の反射率は１００％に対して、鏡面体９の反射率は９５％である。
【００３２】
カソードと発光体の距離は、０．１〜１０ｍｍとり、その間にかける電圧は、１〜５０ｋＶとし、電流は、０．１〜３０ｍＡ／cm２とする。この構造では、カソ ード２の内側表面に蒸着形成したナノカーボングラファイト層により、電子ビームの密度が非常に高くなり、特に図示のような構造のレーザー発光構造体では、その効果が顕著である。電子は、約３μｍ発光体中に浸透し、そのエネルギーにより発光する。なお、発光体５は、ＩＩ‐ＶＩ、III‐Ｖの元素を用いた単結 晶、多結晶またはアモルファス構造を有し、ｎ構造又はｐ構造のどちらかを有するものであり、発光波長は、発光体の種類により決められる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明で提案されたカソード発光のレーザー発光構造体は、新規なタイプの発光装置（ランプ）である。本発明により作られたランプの構成は、他の既知のタイプの光源と比較して、より高い電気エネルギーの光への変換効率を実現させるものである。所定のタイプのランプは、上記の既知の光源に代えて使用する種々の目的のための適用分野が見いだされる。所定タイプのランプは、高い輝度と最小の熱放射を要する場合、既知の光源以上の基本的な長所を有するものである。
【００３４】
配慮されたランプの構成も製造技法も、無毒或いはエコロジカルに害がない材料を使用するものである。適当に選択された螢光体により、所定タイプのランプが、高いエネルギー効率で予定のスペクトル特性を有する光を発生することができる。ここに提案された構成のランプでは、液晶ディスプレイ及び低電力消費及び十分な光度の指示器の用途が見出される。最後に、電気的に絶縁されたアノードを有する、本発明のランプは、色のコントロールが容易で、尚且つ、出力のコントロールも容易なので、医療機器、工作機器、プロジェクター、自動車などのヘッドランプ、レーザーディスプレイ、指示器及び可視情報を与えるための同様の装置として役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるレーザー発光構造体の原理を示す模式図である。
【図２】本発明によるレーザー発光構造体の具体例を示す。
【図３】本発明によるレーザー発光構造体の他の具体例の構造を示す模式断面図である。
【図４】本発明によるレーザー発光構造体に用いられるナノカーボングラファイト薄膜の顕微鏡写真である。
【図５】本発明に用いられるナノカーボングラファイト薄膜の元素分析のチャートである。
【図６】本発明に用いられるナノカーボングラファイト薄膜の薄膜X線回折チャートを示す。
【符号の説明】
【００３６】
１…カソード、２…アノード、３…電子ビーム、４，６，７，９…誘電体の鏡面体、５…発光体層、１１…外被体、１５…レーザービーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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