(57)【要約】【課題】  電子線を均一に安定して放射することのできる電子線源装置および高い発光効率の得られる電子線励起型光源装置を提供すること。【解決手段】  この電子線源装置は、各々カーボンナノチューブにより構成された、同一平面に沿って離間して並ぶ複数の面状の電子線放出部を有するカソード電極と、電子線放出部と離間して対向するよう配置された、電子線放出部の各々に対応する位置に電子線通過用開口を有する電子引き出し電極とを備えており、電子線放出部から放出される電子線を電子引き出し電極における電子線通過用開口に向かって指向させる電子線レギュレータ部が、各々の電子線放出部の周囲を囲むよう、形成されている。電子線励起型光源装置は、上記の電子線源装置と、この電子線源装置から放射された電子線によって励起される半導体発光素子とを備えてなる。【選択図】  図２
2012212637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々カーボンナノチューブにより構成された、同一平面に沿って離間して並ぶ複数の面状の電子線放出部を有するカソード電極と、当該電子線放出部と離間して対向するよう配置された、当該電子線放出部の各々に対応する位置に電子線通過用開口を有する電子引き出し電極とを備えており、
前記電子線放出部から放出される電子を前記電子引き出し電極における電子線通過用開口に向かって指向させる電子線レギュレータ部が、各々の電子線放出部の周囲を囲むよう、形成されていることを特徴とする電子線源装置。
【請求項２】
前記電子線放出部は、所定のパターンに従って開口が形成された板状のカソード基板の表面にカーボンナノチューブにより構成された電子線放出層が形成されてなるカソード電極における、当該電子線放出層が形成された前記開口を区画する隔壁部分によって形成されており、
当該カソード電極が、前記電子線放出部の各々に対応する位置に凹所が形成されたベースフレームの当該凹所内に前記電子線放出部が収容された状態で、配置されており、前記カソード電極における開口に挿入される前記ベースフレームの凹所を区画する隔壁の一部によって前記電子線レギュレータ部が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子線源装置。
【請求項３】
前記カソード電極における電子線放出部は、板状のカソード基板における前記電子引き出し電極と対向する一面上にカーボンナノチューブにより構成された電子線放出層が所定のパターンに従って形成されて構成されており、
前記電子線放出部における電子線が放出される電子線放出面の面方向外方に向かう電子線を遮蔽するシールド部材が、当該シールド部材における前記電子線放出部の各々に対応する位置に形成された開口内に前記電子線放出部の各々が位置されるよう、当該開口を区画する隔壁部分が前記カソード基板の前記一面上における電子線放出層非形成領域に位置された状態で、前記カソード基板の周囲を囲むよう設けられており、当該シールド部材の隔壁部分の一部によって前記電子線レギュレータ部が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子線源装置。
【請求項４】
前記電子線レギュレータ部は、前記電子線放出部における電子線放出面のレベルより前記電子引き出し電極側に突出してい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源装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電子線源装置と、この電子線源装置から放射された電子線によって励起される半導体発光素子とを備えてなることを特徴とする電子線励起型光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線源装置および当該電子線源装置からの電子線を半導体発光素子に放射することにより当該半導体発光素子を発光させる電子線励起型光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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おり、例えば特許文献１には、電子線源に対向するよう配置された半導体発光素子を電子線励起し、電子励起された半導体発光素子の面と異なる面からレーザ光を放射する紫外線光源が提案されている。
【０００３】
このような電子線励起型光源装置においては、電子線を半導体発光素子に均一に安定して放射することが必要とされている。このような要請に対して、例えば特許文献２には、多数のカーボンナノチューブからなる面状の電界放出層が形成された電子線源と、この電子線源における電界放出層と離間して対向するよう配置されたグリッド電極とを備えてなり、電界放出層における電子が放出される面上に、グリッド電極と略同形状の金属材料よりなるマスキング層がグリッド電極に位置合わせされて設けられた構成の電子線励起型光源装置が提案されている。この電子線励起型光源装置によれば、マスキング層によってグリッド電極への電子衝突が低減されるため、グリッド電極が加熱されることによってたわみ等が生ずることを回避することができ、電子線を安定して放射することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６６７１８８号公報
【特許文献２】特許第４５３８５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の電子線励起型光源装置においては、当該電子線励起型光源装置の作製工程における、マスキング層を電界放出層の電子が放出される表面（電子線放出面）上に位置合わせして配置する工程において、電界放出層の電子線放出面が擦過されて損傷してしまうことがある。このように、電界放出層の電子放出面を形成するカーボンナノチューブの表面が損傷すると、電子線放射が不均一となって電子線の放射分布にバラツキが発生し、電子線を効率的に半導体発光素子に放射することが困難となるため、半導体発光素子の発光効率が低下して出力の高い光が放射することができない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、電子線を均一に安定して放射することのできる電子線源装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、高い発光効率の得られる電子線励起型光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電子線源装置は、各々カーボンナノチューブにより構成された、同一平面に沿って離間して並ぶ複数の面状の電子線放出部を有するカソード電極と、当該電子線放出部と離間して対向するよう配置された、当該電子線放出部の各々に対応する位置に電子線通過用開口を有する電子引き出し電極とを備えており、
前記電子線放出部から放出される電子を前記電子引き出し電極における電子線通過用開口に向かって指向させる電子線レギュレータ部が、各々の電子線放出部の周囲を囲むよう、形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電子線源装置においては、前記電子線放出部は、所定のパターンに従って開口が形成された板状のカソード基板の表面にカーボンナノチューブにより構成された電子線放出層が形成されてなるカソード電極における、当該電子線放出層が形成された前記開口を区画する隔壁部分によって形成されており、
当該カソード電極が、前記電子線放出部の各々に対応する位置に凹所が形成されたベースフレームの当該凹所内に前記電子線放出部が収容された状態で、配置されており、前記カソード電極における開口に挿入される前記ベースフレームの凹所を区画する隔壁の一部によって前記電子線レギュレータ部が構成されたものとすることができる。
【０００９】
また、本発明の電子線源装置においては、前記カソード電極における電子線放出部は、板状のカソード基板における前記電子引き出し電極と対向する一面上にカーボンナノチューブにより構成された電子線放出層が所定のパターンに従って形成されて構成されており、
前記電子線放出部における電子線が放出される電子線放出面の面方向外方に向かう電子線を遮蔽するシールド部材が、当該シールド部材における前記電子線放出部の各々に対応する位置に形成された開口内に前記電子線放出部の各々が位置されるよう、当該開口を区画する隔壁部分が前記カソード基板の前記一面上における電子線放出層非形成領域に位置された状態で、前記カソード基板の周囲を囲むよう設けられており、当該シールド部材の隔壁部分の一部によって前記電子線レギュレータ部が構成されたものとすることができる。
【００１０】
さらにまた、本発明の電子線源装置においては、前記電子線レギュレータ部は、前記電子線放出部における電子線放出面のレベルより前記電子引き出し電極側に突出した構成とされていることが好ましい。
【００１１】
本発明の電子線励起型光源装置は、上記の電子線源装置と、この電子線源装置から放射された電子線によって励起される半導体発光素子とを備えてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電子線源装置によれば、基本的には、電子線レギュレータ部の作用によって、電子引き出し電極への電子衝突が抑制されるので、当該電子引き出し電極が変形することを抑制することができ、しかも、電子線レギュレータ部がカーボンナノチューブにより構成された電子線放出部における電子線放出面と接触しない状態で形成されているので、当該電子線源装置の作製工程において、電子線放出部が損傷されることを回避することができる。従って、電子線を均一な放射分布で安定して放射することができる。
そして、このような電子線源装置を具えた電子線励起型光源によれば、半導体発光素子に高い効率で電子線を入射することができるので、半導体発光素子に所期の発光効率を得ることができて出力の高い光を放射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電子線源装置の一例における構成の概略を示す側面断面図である。
【図２】図１に示す電子線源装置の一部を示す拡大断面図である。
【図３】図１に示す電子線源装置の作製工程の一例を概略的に示す説明用断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電子線源装置の一例における構成の概略を示す側面断面図である。
【図５】図４に示す電子線源装置の一部を示す拡大断面図である。
【図６】図４に示す電子線源装置の作製工程の一例を概略的に示す説明用断面図である。
【図７】本発明の電子線励起型光源装置の一例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。
【図８】図７に示す電子線励起型光源装置における半導体発光素子の構成の概略を示す説明用断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔電子線源装置〕
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電子線源装置の一例における構成の概略を示す側面断面図、図２は、図１に示す電子線源装置の一部を示す拡大断面図である。
この第１の実施の形態に係る電子線源装置３０は、同一平面に沿って離間して並ぶ複数の面状の電子線放出部３２を有するカソード電極３１を備えている。カソード電極３１は、形成すべき電子線放出部３２のパターンに従って開口３１ｃが形成されたカソード基板３１ｂの全周面（開口３１ｃの内周面を含む）に電子線放出層３１ａが形成されて構成されており、電子線放出層３１ａが表面に形成された開口３１ｃを区画する隔壁部分によって電子線放出部３２が形成されている（図３（Ａ）参照。）。電子線放出層３１ａは、多数のカーボンナノチューブがカソード基板３１ｂの表面に支持されることによって形成されている。
【００１５】
このカソード電極３１は、例えばアルミナなどのセラミックスよりなる板状のベース３５の一面上に設けられたベースフレーム３６によって支持されている。具体的には、ベースフレーム３６には、カソード電極３１における電子線放出部３２に対応する位置に、各々均一な深さの凹溝３６ａよりなる複数の凹所が形成されており、カソード電極３１は、各々の開口３１ｃにベースフレーム３６における凹溝３６ａを区画する隔壁部分３６ｂが挿入されて各々の電子線放出部３２がベースフレーム３６における対応する凹溝３６ａ内に収容された状態で、配置されている。そして、ベースフレーム３６における隔壁部分３６ｂは、カソード電極３１における電子線放出部３２の電子線が放射される電子線放出面３２ａのレベルより電子線の放射方向に突出した状態とされており、この隔壁部分３６ｂの一部によって、電子線放出面３２ａから放射される電子線を後述する電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａに向かって指向させる電子線レギュレータ部３７が形成されている。ここに、ベースフレーム３６における上面のレベルと電子線放出部３２における電子線放出面３２ａのレベルとの差は、例えば１０〜５００μｍであることが好ましい。これにより、電子線放出面３２ａから放射される電子線を確実に電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａに向かって指向させることができる。
【００１６】
この電子線源装置３０においては、電子線放出部３２における電子線放出面３２ａの面方向外方へ向かう電子線を遮蔽するシールド部材４０がカソード電極３１の側方の位置においてベースフレーム３６の一面上に固定されて設けられている。このシールド部材４０は、カソード電極３１の両側を囲む胴部４１と、この胴部４１の先端に連続するカソード電極３１における電子線放出面３２ａの周縁に沿って当該電子線放出面３２ａの面方向内方に延びるよう形成されたフランジ部４２ａとにより構成されており、このフランジ部４２ａの内面とベースフレーム３６の一面とによってカソード電極３１が保持固定されている。
【００１７】
カソード電極３１の上方には、カソード電極３１における各々の電子線放出部３２に対向する位置に電子線通過用開口４６ａが形成された、電子線放出部３２から電子線を放出するための電子引き出し電極（グリッド電極）４６が電子線放出部３２と離間して対向するよう配置されている。この電子引き出し電極４６は、ベース３５の一面上における、ベースフレーム３６の外方位置に固定された板状のベースフレーム３９によって支持固定された電子引き出し電極保持部材４７とキャップ部材４８における弧状に湾曲する先端部の内面とによって保持固定されている。ここに、電子引き出し電極４６とカソード電極３１の各々の電子線放出部３２における電子線放出面３２ａとの間の離間距離（ギャップ）は例えば１００〜１０００μｍである。
【００１８】
以上において、カソード電極３１におけるカソード基板３１ｂ、シールド部材４０、ベースフレーム３６，３９、電子引き出し電極４６、電子引き出し電極保持部材４７およびキャップ部材４８を構成する材料としては、例えば、鉄もしくはニッケルの少なくとも一つを含む合金などを用いることができる。
【００１９】
上記の電子線源装置３０は、次のようにして作製することができる。
先ず、形成すべき電子線放出部３２のパターンに従って開口３１ｃが形成されたカソード基板３１ｂを用意し、図３（Ａ）に示すように、カーボンナノチューブよりなる電子線放出層３１ａをカソード基板３１ｂの全周面に形成することにより、複数の面状の電子線放出部３２を有するカソード電極３１を作製する。ここに、カーボンナノチューブよりなる電子線放出層３１ａをカソード基板３１ｂに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カソード基板３１ｂ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、カソード基板３１ｂ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カソード基板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。
次いで、図３（Ｂ）に示すように、カソード電極３１における各々の電子線放出部３２に対応する位置に凹溝３６ａを形成したカソード電極支持用のベースフレーム３６、および、電子引き出し電極保持部材支持用のベースフレーム３９を、予め、板状のベース３５の一面上における所定の位置に例えばガラスフリットで固着しておき、カソード電極３１を、各開口３１ｃ内にベースフレーム３６における凹溝３６ａを区画する隔壁部分３６ｂを挿入させて各々の電子線放出部３２をベースフレーム３６における対応する凹溝３６ａ内に収容させた状態で、ベースフレーム３６の一面上に配置する。これにより、ベースフレーム３６における隔壁部分３６ｂによって電子線レギュレータ部３７が形成される。ここに、ベースフレーム３６における凹溝３６ａの形成方法としては、例えばエッチングなどを用いることができる。
そして、図３（Ｃ）に示すように、フランジ部４２ａを有するシールド部材４０をカソード電極３１の側方の位置においてベースフレーム３６の一面上に例えばレーザ溶接により固定することにより、カソード電極３１をシールド部材４０のフランジ部４２ａの内面とベースフレーム３６の一面とによって保持固定すると共に、電子引き出し電極保持部材４７をベースフレーム３９の一面上に例えばレーザ溶接により固定する。
そして、図３（Ｄ）に示すように、カソード電極３１における各々の電子線放出部３２に対応する位置に電子線通過用開口４６ａを形成した電子引き出し電極４６を、キャップ部材４８の先端部の内面に例えばレーザ溶接により固定しておき、図３（Ｅ）に示すように、電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａをカソード電極３１における電子線放出部３２に対して位置合わせした状態で、電子引き出し電極保持部材４７に例えばレーザ溶接により固定し、以って、電子線源装置３０を作製することができる。
【００２０】
上記の電子線源装置３０においては、カソード電極３１と電子引き出し電極４６との間に電圧が印加されると、当該カソード電極３１における各々の電子線放出部３２から電子が放出され、この電子は、ベースフレーム３６の隔壁部分３６ｂによって構成される電子線レギュレータ部３７の作用によって電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａに向かって指向され、電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａを介して放射される。
【００２１】
而して、上記の電子線源装置３０によれば、基本的には、ベースフレーム３６における凹溝３６ａを区画する隔壁部分３６ｂによって構成された電子線レギュレータ部３７の作用によって、電子引き出し電極４６への電子衝突が抑制されるので、当該電子引き出し電極４６が変形することを抑制することができ、しかも、電子線レギュレータ部３７がカーボンナノチューブにより構成された電子線放出部３２における電子線放出面３２ａと接触しない状態で配置されているので、当該電子線源装置３０の作製工程において、当該電子線放出面３２ａが損傷されることを回避することができる。従って、電子線を均一な放射分布で安定して放射することができる。
【００２２】
＜第２の実施の形態＞
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電子線源装置の一例における構成の概略を示す側面断面図、図５は、図４に示す電子線源装置の一部を示す拡大断面図である。
この第２の実施の形態に係る電子線源装置３０は、同一平面に沿って離間して並ぶ複数の面状の電子線放出部を有するカソード電極３１を備えている。カソード電極３１は、カソード基板３１ｂの一面  （図４および図５において上面）に、電子線放出層３１ａが所定のパターンに従って選択的に形成されると共に、カソード基板３１ｂにおける両側面および他面（図４および図５において下面）の全面に、電子線放出層３１ａが形成されて構成されており、カソード基板３１ｂの一面における電子線放出層３１ａが形成された部分によって電子線放出部３２が形成されている（図６（Ａ）参照。）。電子線放出層３１ａは、多数のカーボンナノチューブがカソード基板３１ｂの表面に支持されることによって形成されている。このカソード電極３１は、例えばアルミナなどのセラミックスよりなる板状のベース３５上に設けられた板状のベースフレーム３６によって支持されている。
【００２３】
この電子線源装置３０においては、電子線放出部３２における電子線放出面３２ａの面方向外方へ向かう電子線を遮蔽するシールド部材４０がカソード電極３１の周囲を囲むようベースフレーム３６の一面上に固定されて設けられている。
このシールド部材４０は、カソード電極３１の両側を囲む胴部４１と、この胴部４１の先端に連続するカソード電極３１の面方向に沿って延びる板状の端壁部４２ｂとにより構成されており、端壁部４２ｂには、カソード電極３１における各々の電子線放出部３２に対向する位置に開口４３が形成されている。このシールド部材４０は、開口４３を区画する隔壁部分４４がカソード基板３１ｂの一面上における電子線放出層非形成領域に位置されてカソード電極３１における各々の電子線放出部３２がシールド部材４０の対応する開口４３内に位置された状態で、設けられ、これにより、カソード電極３１がシールド部材４０の端壁部４２ｂの内面とベースフレーム３６の一面とによって保持固定されている。  そして、シールド部材４０の端壁部４２ｂの外面のレベルは、カソード電極３１における電子線放出部３２における電子線放出面３２ａのレベルより電子引き出し電極４６側に位置された状態とされており、シールド部材４０における開口４３を区画する隔壁部分４４の一部によって、電子線放出面３２ａから放出される電子を電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａに向かって指向させる電子線レギュレータ部３７が構成されている。ここに、シールド部材４０における端壁部４２ｂの外面のレベルと電子線放出部３２における電子線放出面３２ａのレベルとの差は、例えば１０〜５００μｍであることが好ましい。これにより、電子線放出面３２ａから放射される電子を確実に電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａに向かって指向させることができる。
【００２４】
カソード電極３１の上方には、カソード電極３１における電子線放出部３２に対向する位置に電子線通過用開口４６ａが形成された、電子線放出部３２から電子線を放出するための電子引き出し電極４６が当該電子線放出部３２と離間して対向するよう配置されている。この電子引き出し電極４６は、ベース３５の一面上におけるベースフレーム３６の外方位置に固定されたベースフレーム３９によって支持固定された電子引き出し電極保持部材４７とキャップ部材４８における弧状に湾曲する先端部の内面とによって保持固定されている。ここに、電子引き出し電極４６とカソード電極３１の電子線放出部３２における電子線放出面３２ａとの間の離間距離（ギャップ）は例えば１００〜１０００μｍである。
【００２５】
以上において、カソード電極３１におけるカソード基板３１ｂ、シールド部材４０、ベースフレーム３６，３９、電子引き出し電極４６、電子引き出し電極保持部材４７およびキャップ部材４８を構成する材料としては、例えば、鉄もしくはニッケルの少なくとも一つを含む合金などを用いることができる。
【００２６】
上記の電子線源装置３０は、次のようにして作製することができる。
先ず、図６（Ａ）に示すように、板状のカソード基板３１ｂの一面上に、カーボンナノチューブよりなる電子線放出層３１ａを所定のパターンに従って選択的に形成すると共に、カソード基板３１ｂの両側面および他面の全面に、カーボンナノチューブよりなる電子線放出層３１ａを形成することにより、複数の面状の電子線放出部３２を有するカソード電極３１を作製する。ここに、カーボンナノチューブよりなる電子線放出層３１ａをカソード基板３１ｂの一面上に選択的に形成する方法としては、カソード基板３１ｂの一面上における、形成すべき電子線放出層３１ａ間の位置に、予め、例えばスパッタリングによりＴｉなどよりなる薄膜（図示せず）を選択的に形成しておき、当該薄膜が形成されていない領域に、上記において例示した方法を用いて形成することができる。
次いで、図６（Ｂ）に示すように、カソード電極支持用のベースフレーム３６および電子引き出し電極保持部材支持用のベースフレーム３９を、予め、板状のベース３５の一面上における所定の位置に例えばガラスフリットで固着しておき、カソード電極３１をベースフレーム３６の一面上に配置する。そして、図６（Ｃ）に示すように、端壁部４２ｂにおける各々の電子線放出部３２に対応する位置に開口４３を形成したシールド部材４０を、当該開口４３を区画する隔壁部分４４をカソード基板３１ｂの一面における薄膜上に位置させると共にカソード電極３１における電子線放出部３２をシールド部材４０における対応する開口４３内に位置させた状態で、配置し、シールド部材４０の胴部４１をカソード電極３１の側方の位置においてベースフレーム３６の一面に例えばレーザ溶接により固定することによりカソード電極３１をシールド部材４０における端壁部４２ｂの内面とベースフレーム３６とによって保持固定する。これにより、隔壁部分４４によって電子線レギュレータ部３７が形成される。また、電子引き出し電極保持部材４７をベースフレーム３９に例えばレーザ溶接により固定する。
そして、図６（Ｄ）に示すように、カソード電極３１における各々の電子線放出部３２に対応する位置に電子線通過用開口４６ａを形成した電子引き出し電極４６をキャップ部材４８における先端部の内面に例えばレーザ溶接により固定しておき、図６（Ｅ）に示すように、電子引き出し電極４６における各々の電子線通過用開口４６ａをカソード電極３１における各々の電子線放出部３２に対して位置合わせした状態で、電子引き出し電極保持部材４７に例えばレーザ溶接により固定し、以って、電子線源装置３０を作製することができる。
【００２７】
上記の電子線源装置３０においては、カソード電極３１と電子引き出し電極４６との間に電圧が印加されると、当該カソード電極３１における電子線放出部３２から電子が放出され、この電子は、シールド部材４０における開口４３を区画する隔壁部分４４の作用によって電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａに向かって指向され、電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａを介して放射される。
【００２８】
而して、上記の電子線源装置３０によれば、基本的には、シールド部材４０の端壁部４２ｂにおける開口４３を区画する隔壁部分４４によって構成された電子線レギュレータ部３７の作用によって、電子引き出し電極４６への電子衝突が抑制されるので、当該電子引き出し電極４６が変形することを抑制することができ、しかも、電子線レギュレータ部３７がカーボンナノチューブにより構成された電子線放出部３２における電子線放出面３２ａと接触しない状態で配置されているので、当該電子線源装置３０の作製工程において、当該電子線放出面３２ａが損傷されることを回避することができる。従って、電子線を均一な放射分布で安定して放射することができる。
【００２９】
以上のように、本発明の電子線源装置は、電子線を均一な放射分布で安定して放射することができるものであるので、例えば、電子線を半導体発光素子に放射することにより当該半導体発光素子を発光させる電子線励起型光源装置における電子線源として極めて有用である。以下、本発明の電子線源装置を電子線源として用いた電子線励起型光源装置について説明する。
【００３０】
〔電子線励起型光源装置〕
図７は、本発明の電子線励起型光源装置の一例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。なお、図７（Ｂ）においては、便宜上、電子線源装置にハッチングが付してあり、Ａ−Ａ線における端面が図１または図４に示す断面構造を有する。
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真空容器１０を有し、この真空容器１０は、上方が開口すると共に底壁中央位置に開口を有する容器基体１１と、この容器基体１１の上方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１５と、容器基体１１の底壁における開口に配置されて当該容器基体１１に気密に封着された高熱伝導部材１６とによって構成されている。
【００３１】
真空容器１０内には、半導体発光素子２０が、その表面（図７（Ａ）において上面）２０ａが光透過窓１５と離間して対向するよう配置され、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、例えば上記の第１の実施の形態に係る電子線源装置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。具体的には、この例においては、電子線源装置３０は円環状の帯状体として構成されており、電子線放出部３２における電子線が放射される電子線放出面３２ａが半導体発光素子２０における光が出射される表面２０ａと同方向を向いた姿勢すなわち真空容器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、この状態で、支持部材４９を介して真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。半導体発光素子２０および電子線源装置３０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図７（Ａ）において二点鎖線で示す。）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５５に、半導体発光素子２０が正極、電子線源装置３０が負極となるよう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が真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定された高熱伝導部材１６の上面に固定されて配置されている。
【００３２】
そして、半導体発光素子２０に対して電子線源装置３０より外方の位置には、電子線源装置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５０が配置されている。具体的には、電界制御用電極５０は、電子線源装置３０の外径より大きい内径を有する胴部５１と、この胴部５１に連続して形成された、先端（図７（Ａ）において上端）に向かって小径となるテーパ部５２とよりなる円筒体により構成されている。この電界制御用電極５０は、電子線源装置３０の外周を取り囲むよう配置されており、当該電界制御用電極５０の基端が、真空容器１０における容器基体１１の底壁に固定されている。電子線源装置３０および電界制御用電極５０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図７（Ａ）において二点鎖線で示す。）を介して、真空容器１０の外部に設けられた電界制御用電源５７に、電子線源装置３０が正極、電界制御用電極５０が負極となるよう電気的に接続されている。
【００３３】
真空容器１０における容器基体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材料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、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、容器基体１１の外形の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍ、容器基体１１の肉厚が２ｍｍ、容器基体１１の開口が３６ｍｍ×３６ｍｍで、光透過窓１５の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍである。
【００３４】
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。
【００３５】
半導体発光素子２０は、図８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が真空容器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と電子線源装置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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
電界制御用電極５０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５０の寸法の一例を示すと、胴部５１の内径が３４ｍｍ、軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部５２の先端における内径が２８ｍｍ、軸方向の長さが３ｍｍ、胴部５１に対するテーパ部５２の傾きは例えば４５°、電界制御用電極５０を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍである。
【００４０】
上記の電子線励起型光源装置においては、電子線源装置３０におけるカソード電極３１と電子引き出し電極４６との間に、真空容器１０の外部に設けられた電子線放出用電源５６によって電圧が印加されると、当該カソード電極３１における電子線放出部３２から電子が放出され、この電子は、ベースフレーム３６の隔壁部分３６ｂにより構成された電子線レギュレータ部３７の作用によって電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａに向かって指向され、電子引き出し電極４６の電子線通過用開口４６ａを通過した電子は、半導体発光素子２０とカソード電極３１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。この電子線の軌道は、加速電圧および電界制御用電源５７によって電子線源装置３０と電界制御用電極５０との間に印加される電圧によって、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、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。
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、真空容器１０における光透過窓１５を介して当該真空容器１０の外部に出射される。
【００４１】
以上において、電子線放出用電源５６によってカソード電極３１と電子引き出し電極４６との間に印加される電圧は、例えば１〜５ｋＶである。
また、電子加速手段５５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５７によってカソード電極３１と電界制御用電極５０との間に印加される電圧は、例えば−２〜２ｋＶである。
【００４２】
上記の電子線励起型光源装置によれば、上述したように、電子線源装置３０が電子線を均一な放射分布で安定して放射することができるものであるので、半導体発光素子２０に高い効率で電子線を入射することができ、半導体発光素子２０に所期の発光効率を得ることができて出力の高い光を放射することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
本発明の電子線源装置は、電子線を半導体発光素子に放射することにより当該半導体発光素子を発光させる電子線励起型光源装置における電子線源としてだけでなく、例えば、電子源から放出された電子を蛍光体に衝突させて発光させる電界放出を利用したランプや電子線管、Ｘ線管などの電子管における電子線源としても好適に用いることができる。
また、電子線源装置は、面状の電子線放出部を有するものであれば、その具体的な形状は特に限定されない。
さらにまた、板状のカソード基板の一面において形成すべき電子線放出部のパターンに対応する位置に凹所を形成し、当該凹所の底壁にカーボンナノチューブよりなる電子線放出層を形成し、カソード基板における当該凹所を区画する隔壁部分によって電子線レギュレータ部が構成されていてもよい。
【００４４】
また、本発明の電子線励起型光源装置においては、電子線源装置の配置位置は、半導体発光素子の周辺であって、当該半導体発光素子の光が出射される表面に電子線を入射することができる位置であれば、特に限定されない。
また、電界制御用電極においては、テーパ部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、電界制御用電極は、半導体発光素子に対して電子線源装置より内方の位置に配置されていてもよく、この場合には、電子線源装置に対して正となる電圧が印加される。但し、半導体発光素子に対して電子線を高い効率で入射することができる点で、電界制御用電極は、半導体発光素子に対して電子線源装置より外方の位置に配置されていることが好ましい。
【符号の説明】
【００４５】
１０  真空容器
１１  容器基体
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  電子線源装置
３１  カソード電極
３１ａ  電子線放出層
３１ｂ  カソード基板
３１ｃ  開口
３２  電子線放出部
３２ａ  電子線放出面
３５  ベース
３６  ベースフレーム
３６ａ  凹溝
３６ｂ  隔壁部分
３７  電子線レギュレータ部
３９  ベースフレーム
４０  シールド部材
４１  胴部
４２ａ  フランジ部
４２ｂ  端壁部
４３  開口
４４  隔壁部分
４６  電子引き出し電極（グリッド電極）
４６ａ  電子線通過用開口
４７  電子引き出し電極保持部材
４８  キャップ部材
４９  支持部材
５０  電界制御用電極
５１  胴部
５２  テーパ部
５５  電子加速手段
５６  電子線放出用電源
５７  電界制御用電源
【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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【図７】
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【図８】
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