(57)【要約】【課題】高光出力化および小型化が図られた電子線励起型光源装置であっても、真空容器の劣化または破損が抑制される電子線励起型光源装置の提供。【解決手段】電子線励起型光源装置は、電子線源と、この電子線源から放出された電子線によって励起されて紫外線を放射する半導体発光素子とが内部に配置された真空容器を備えてなる電子線励起型光源装置において、前記真空容器の内表面に紫外線反射部材が設けられている。【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、この電子線源から放出された電子線によって励起されて紫外線を放射する半導体発光素子とが内部に配置された真空容器を備えてなる電子線励起型光源装置において、
前記真空容器の内表面に紫外線反射部材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。
【請求項２】
前記真空容器は、前記半導体発光素子における紫外線が放射される表面と離間して対向するよう配置された光透過窓を具えてなり、
前記紫外線反射部材が設けられている領域が、少なくとも前記真空容器の周壁内面であって、前記半導体発光素子における紫外線が放射される表面より前記光透過窓側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】
前記紫外線反射部材が、金属酸化物粒子から形成されることを特徴とする請求項１または請求項２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】
本発明は、電子線源と、この電子線源から放出された電子線によって励起される半導体発光素子とが内部に配置された真空容器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。
【背景技術】
【０００２】
電子線を放出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。
近年、このような光源を用いて紫外線を放射する小型素子の開発が進められており、光出力を高めた数Ｗ程度の小型化が図られた電子線励起型光源装置が望まれている。
【０００３】
このように、電子線励起型光源装置の小型化を図ることを考慮すると、電子線源と半導体素子とが配置される真空容器の容器基体は、セラミックス材料またはガラス材料、特にガラス材料により形成することが望ましい。また、紫外線を取り出す光透過窓については、紫外線を透過する材料、例えば石英ガラスにより形成することが望ましい。そして、この光透過窓を石英ガラスにより形成する場合においては、容器基体との接合の観点から、真空容器全体をガラス材料により形成することが望ましいとされている。
具体的には、特許文献１には、ガラス材料よりなる真空容器の内部に電子線源と半導体発光素子とが配置され、電子線源から放出された電子線を半導体発光素子のレーザ光出射面に照射する電子線励起型光源装置が提案されている。
また、特許文献２には、ガラス材料よりなる真空容器の内部に電子線源と、この電子線源に対向配置された半導体発光素子とが配置され、電子線源から放出された電子線の入射面と対向する面からレーザ光を放射する電子線励起型光源装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−２１４０２７号公報
【特許文献２】特許第３６６７１８８号
【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、電子線励起型光源装置の高光出力化および小型化に伴い、真空容器を構成するガラス材料に半導体発光素子から放射される紫外線が照射されることに起因して、当該真空容器が劣化または破損するという問題が発生した。
【０００６】
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、高光出力化および小型化が図られた電子線励起型光源装置であっても、真空容器の劣化または破損が抑制さ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】
本発明の電子線励起型光源装置は、電子線源と、この電子線源から放出された電子線によって励起されて紫外線を放射する半導体発光素子とが内部に配置された真空容器を備えてなる電子線励起型光源装置において、
前記真空容器の内表面に紫外線反射部材が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電子線励起型光源装置においては、前記真空容器は、前記半導体発光素子における紫外線が放射される表面と離間して対向するよう配置された光透過窓を具えてなり、
前記紫外線反射部材が設けられている領域が、少なくとも前記真空容器の周壁内面であって、前記半導体発光素子における紫外線が放射される表面より前記光透過窓側であることが好ましい。
【０００９】
本発明の電子線励起型光源装置においては、前記紫外線反射部材が、金属酸化物粒子から形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電子線励起型光源装置によれば、真空容器の内表面に紫外線反射部材が設けられていることにより、当該紫外線反射部材によって半導体発光素子から放射される紫外線が真空容器に照射されることが防止されるので、高光出力化および小型化が図られた電子線励起型光源装置であっても、真空容器の劣化または破損が抑制される。その上、紫外線反射部材が設けられていることにより、半導体発光素子から放射される紫外線を高い光取り出し効率で出力することができる。
【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における一例の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２】図１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を示す説明用断面図である。
【図３】図１に示す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。
【図４】本発明の電子線励起型光源装置における他の例の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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の電子線励起型光源装置における一例の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真空容器１０を備え、この真空容器１０は、一面（図１（ａ）において上面）に開口を有する容器基体１１と、この容器基体１１の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とによって構成されている。
【００１４】
真空容器１０の内部には、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、この半導体発光素子２０の周辺領域には、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。具体的には、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出される表面が真空容器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３７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（図示省略）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５０に電気的に接続されている。また、半導体発光素子２０は、表面２０ａの裏面２０ｂに設けられた高熱伝導部材１６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。
【００１５】
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から放出された電子線の軌道を半導体発光素子２０における表面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おり、当該電界制御用電極４０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３０および電界制御用電極４０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電界制御用電源５２に、電子線源３０が正極、電界制御用電極４０が負極となるよう電気的に接続されている。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
図３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、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、電子線放出用電源５１に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出される面の面積が１３８ｍｍ2 である。
【００２３】
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。
【００２４】
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である。
【００２５】
本発明の電子線励起型光源装置においては、容器基体１１における周壁内面には、反射膜よりなる紫外線反射部材６０が設けられている。具体的には、紫外線反射部材６０は、容器基体１１における周壁内面であって、半導体発光素子２０の表面２０ａより光透過窓１５側（図１（ａ）において上方側）の領域、すなわち、電界制御用電極４０におけるテーパ部４２の先端位置よりも上方側の領域に周壁の全周にわたって容器基体１１に密着して設けられている。
【００２６】
紫外線反射部材６０を構成する材料としては、金属酸化物粒子を主成分とするものが挙げられる。この金属酸化物粒子としては、例えば、ＳｉＯ2 、Ｂ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｐ2 Ｏ5 、Ｎａ2 Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｌｉ2 Ｏなどの粒子が挙げられる。
【００２７】
紫外線反射部材６０の形成方法としては、例えば「流下法」と呼ばれる方法などを挙げることができる。すなわち、水とＰＥＯ樹脂（ポリエチレンオキサイド）を組み合わせた粘性を有する溶剤に、金属酸化物粒子を混ぜて分散液（以下、「金属酸化物粒子分散液」ともいう。）を調製し、この金属酸化物粒子分散液を容器基体１１内に流し込むことにより、容器基体１１の内表面における所定の領域に塗布した後、乾燥、焼成することにより水とＰＥＯ樹脂を蒸発させることにより、容器基体１１の周壁内面に膜状の紫外線反射部材６０を形成することができる。ここに、焼成温度は例えば５００〜１１００℃とされる。
この形成方法に用いられる金属酸化物粒子は、ＳｉＯ2 （シリカ）粒子およびＡｌ2 Ｏ3 （アルミナ）粒子を含むものであることが好ましい。この場合、シリカ粒子の平均粒径は、例えば０．０１〜２０μｍであることが好ましく、アルミナ粒子の平均粒径は、例えば０．１〜３μｍであることが好ましい。また、アルミナ粒子の含有量はシリカ粒子の質量に対して５〜１０質量％であることが好ましい。
【００２８】
紫外線反射部材６０の厚さは、例えば１０〜１０００μｍであることが好ましい。
【００２９】
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、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ながら進み、電子線として半導体発光素子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から紫外線が放射され、放射された紫外線の一部は直接、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、残りの紫外線は紫外線反射部材６０に反射されて、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。
以上において、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。
【００３０】
このような電子線励起型光源装置によれば、真空容器１０の内表面に紫外線反射部材６０が設けられていることにより、当該紫外線反射部材６０によって半導体発光素子２０から放射される紫外線が真空容器１０の容器基体１１の周壁内面に照射されることが防止されるので、高光出力化および小型化が図られた電子線励起型光源装置であっても、真空容器１０の劣化または破損が抑制される。その上、紫外線反射部材６０が設けられていることにより、半導体発光素子２０から放射される紫外線を高い光取り出し効率で出力することができる。
【００３１】
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。
例えば、紫外線反射部材は、真空容器の内表面であって、少なくとも半導体発光素子から放射される紫外線を取り出す光出射部が確保されていれば特に配置領域は限定されず、容器基体の形状、または、半導体発光素子および透過窓などの配置位置に応じて適宜変更することができる。
また例えば、図４に示すように、紫外線反射部材６１は、断面矩形の筒状のものであってもよい。このような紫外線反射部材６１は、例えば断面矩形の筒状の金属基材６１ａの内表面に金属酸化物粒子を主成分とする反射膜６１ｂが焼成形成されたものとして構成され、この紫外線反射部材６１を容器基体１１の周壁内面と密着するように組み込むことにより配置することができる。
このような紫外線反射部材６１を用いることにより、例えば流下法などにより容器基体１１に直接膜焼成して紫外線反射部材を形成する必要がないので、膜焼成における熱により応力が発生して容器基体１１が破損することを抑制することができる。
【００３２】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００３３】
〔実験例１〕
図１に示す電子線励起型光源装置の構成に従って、紫外線反射部材として、流下法により形成した、シリカ粒子およびアルミナ粒子を含む反射膜を用いて容器基体（１１）の周壁内面に配置し、電子線励起型光源装置〔１〕を作製した。なお、シリカ粒子は平均粒径が０．０１〜２０μｍのものを用い、アルミナ粒子は平均粒径が０．１〜３μｍのものを用いると共に、アルミナ粒子の含有量をシリカ粒子の質量に対して５〜１０質量％とした。
【００３４】
〔実験例２〕
実験例１において、紫外線反射部材を設けなかったことの他は同様にして比較用電子線励起型光源装置〔２〕を作製した。
【００３５】
〔評価〕
電子線励起型光源装置〔１〕および比較用電子線励起型光源装置〔２〕を駆動させ、透過窓（１５）から出射される紫外線の光量を測定した。電子線励起型光源装置〔１〕においては、紫外線反射部材の設けられていない比較用電子線励起型光源装置〔２〕に比べ１．１〜１．２倍の光取り出し効率で紫外線が出射されることが確認された。また、比較用電子線励起型光源装置〔２〕においては、５００時間の駆動後、容器基体（１１）にクラックが生じていることが確認された。
【符号の説明】
【００３６】
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
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
４１    胴部
４２    テーパ部
５０    電子加速手段
５１    電子線放出用電源
５２    電界制御用電源
６０    紫外線反射部材
６１    紫外線反射部材
６１ａ  金属基材
６１ｂ  反射膜
【図１】
2012209448.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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