(57)【要約】【課題】半導体発光素子に電子線が効率よく入射されて、出力の高い紫外線を放射することができ、小型化が可能で、半導体発光素子を効率よく冷却することができる電子線励起型紫外線放射装置を提供する。【解決手段】紫外線取り出し窓を有する真空容器と、この真空容器内に設けられた、当該紫外線取り出し窓に対して傾斜する支持面を有する高熱伝導性の支持部材と、この支持部材における前記支持面に配置された半導体発光素子と、この半導体発光素子に電子線を供給する電子線源とを備えてな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】
紫外線取り出し窓を有する真空容器と、
この真空容器内に設けられた、当該紫外線取り出し窓に対して傾斜する支持面を有する高熱伝導性の支持部材と、
この支持部材における前記支持面に配置された半導体発光素子と、
この半導体発光素子に電子線を供給する電子線源とを備えてなることを特徴とする電子線励起型紫外線放射装置。
【請求項２】
前記支持部材は複数の前記支持面を有し、各支持面に前記半導体発光素子が互いに近接して配置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紫外線放射装置。
【請求項３】
前記半導体発光素子の各々に対応して前記電子線源が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電子線励起型紫外線放射装置。
【請求項４】
前記電子線源からの電子線を前記半導体発光素子に向かって集束させる電子線集束用電極が設けられ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励起型紫外線放射装置。
【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射された電子線によって紫外線を放射する半導体発光素子とを備えてなる電子線励起型紫外線放射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子線を照射することによって半導体発光素子から紫外線を放射させる電子線励起型紫外線放射装置は、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。
このような電子線励起型紫外線放射装置としては、（１）紫外線透過窓を有する真空容器と、この真空容器における光透過窓の内面に配置された半導体発光素子を有するレーザー構造体と、真空容器における光透過窓に対向する底壁の内面に配置された電子線源とよりなるもの（特許文献１参照。）、（２）電子銃によって半導体発光素子の一面に対してその斜めの方向から電子線を入射することにより、当該半導体発光素子における電子線が入射された一面から光が出射され、この光が半導体発光素子の一面に対向して配置された光透過窓から外部に放射されるもの（特許文献２参照）などが知られている。
【０００３】
しかしながら、上記（１）の電子線励起型紫外線放射装置においては、半導体発光素子の一面が光出射面として利用され、その他面が電子線の入射面として利用されているため、半導体発光素子をその面積の大きい一面および他面のいずれからも冷却することができず、従って、半導体発光素子を効率よく冷却することが困難である。その結果、半導体発光素子が高い温度に発熱し、これにより、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されず、また、発熱によって半導体発光素子に早期に故障が生じる、という問題がある。
また、上記（２）の電子線励起型紫外線放射装置においては、半導体発光素子をその裏面から冷却することができるため、半導体発光素子の発光効率が低下することがなくて高い出力の光を維持することが可能であるが、半導体発光素子の一面の斜め前方に電子銃を配置することが必要となるため、より小型化を図ることが困難である。
【０００４】
このような問題を解決するためには、半導体発光素子の周辺位置に電子線源を配置し、当該電子線源からの電子線を半導体発光素子の一面に入射することにより、当該半導体発光素子の一面から光を放射する構成が考えられる。このような構成によれば、半導体発光素子の他面から当該半導体発光素子を冷却することができると共に、電子線源が半導体発光素子の周辺位置に配置されるので、小型化が可能となる。
しかしながら、このような構成の電子線励起型紫外線放射装置においては、半導体発光素子の一面に対する電子線源からの電子線の入射角度が極めて小さいため、電子線が半導体発光素子の活性層の内部に十分に進入せず、従って、発光効率が極めて低く、高い出力の紫外線を得ることが困難であることが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６６７１８８号公報
【特許文献２】特開平０９−２１４０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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、半導体発光素子に電子線が効率よく入射されて、出力の高い紫外線を放射することができ、小型化が可能で、半導体発光素子を効率よく冷却することができる電子線励起型紫外線放射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紫外線放射装置は、紫外線取り出し窓を有する真空容器と、
この真空容器内に設けられた、当該紫外線取り出し窓に対して傾斜する支持面を有する高熱伝導性の支持部材と、
この支持部材における前記支持面に配置された半導体発光素子と、
この半導体発光素子に電子線を供給する電子線源とを備えてなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電子線励起型紫外線放射装置においては、前記支持部材は複数の前記支持面を有し、各支持面に前記半導体発光素子が互いに近接して配置されていることが好ましい。  このような電子線励起型紫外線放射装置においては、前記半導体発光素子の各々に対応して前記電子線源が設けられていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の電子線励起型紫外線放射装置においては、前記電子線源からの電子線を前記半導体発光素子に向かって集束させる電子線集束用電極が設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電子線励起型紫外線放射装置によれば、支持部材における半導体発光素子が配置される支持面が紫外線取り出し窓に対して傾斜しているため、当該半導体発光素子の周辺位置に電子線源を配置した場合であっても、半導体発光素子の一面に対する電子線源からの電子線の入射角度が十分に大きく、従って、半導体発光素子に電子線が効率よく入射されて、出力の高い紫外線を放射することができる。
また、半導体発光素子の周辺位置に電子線源を配置することができるので、装置の小型化を図ることができる。
また、半導体発光素子が配置される支持部材は高熱伝導性を有するため、半導体発光素子を支持部材を介して効率よく冷却することができ、従って、半導体発光素子の発光効率が低下することがなく、高い出力の紫外線を維持することができる。
また、支持部材は複数の支持面を有し、各支持面に半導体発光素子が互いに近接して配置されている構成によれば、紫外線の放射面積が大きいため、一層高い出力の紫外線を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の電子線励起型紫外線放射装置の一例における構成を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は、紫外線取り出し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紫外線放射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紫外線放射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紫外線放射装置の他の例における要部の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図図、（ｂ）は側面断面図である。
【図５】本発明の電子線励起型紫外線放射装置の更に他の例における要部の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の電子線励起型紫外線放射装置の一例における構成を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は、紫外線取り出し窓を取り外した状態を示す平面図である。
この電子線励起型紫外線放射装置は、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、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、矩形の板状の紫外線取り出し窓１５とによって構成されている。
【００１３】
真空容器１０内には、容器基体１１における底壁１２から紫外線取り出し窓１５に向かって当該紫外線取り出し窓１５に対して垂直な方向に伸びる柱状の高熱電導性の支持部材１６が、その基端が容器本体１１における底壁１２に固定され、その先端が紫外線取り出し窓１５から離間して位置された状態で設けられている。この支持部材１６の先端には、それぞれ紫外線取り出し窓１５に対して傾斜する２つの半円状の支持面１７が形成されている。
支持部材１６における２つの支持面１７の各々には、それぞれ矩形の板状の１つの半導体発光素子２０が、その表面２０ａが紫外線取り出し窓１５に対して傾斜した姿勢で、互いに近接して配置されている。
【００１４】
半導体発光素子２０の各々の周辺位置、具体的には半導体発光素子２０の各々と容器基体１１における当該半導体発光素子２０に接近する側壁１３ａ，１３ｂとの間の位置には、当該半導体発光素子２０に対応して、支持基板３１の表面上に電子線放出部３２が形成されてなる電子線源３０が、当該電子線放出部３２が当該半導体発光素子２０の表面２０ａを臨む姿勢で配置されている。図示の例では、電子線源３０は、電子線放出部３２の表面が紫外線取り出し窓１５に対して垂直となるよう半導体発光素子２０に向いた姿勢で配置されている。この電子線源３０は、保持部材３７を介して容器基体１１における底壁１２に固定されている。
また、半導体発光素子２０と電子線源３０との間には、当該電子線源３０からの電子線を半導体発光素子２０に向かって集束させるリング状の電子線集束用電極４０が配置されている。この電子線集束用電極４０は、保持部材４１を介して容器基体１１における底壁１２に固定されている。
また、真空容器１０における紫外線取り出し窓１５の内面には、当該紫外線取り出し窓１５の内面が帯電することを防止するチャージアップ防止部材４５が設けられている。この例のチャージアップ防止部材４５は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって紫外線透過部が形成されている。
【００１５】
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（図示省略）に電気的に接続されている。また、電子線源３０および電子線集束用電極４０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図示省略）を介して、真空容器１０の外部に設けられた、電子線を集束するための電子線集束用電源（図示省略）に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における紫外線取り出し窓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、紫外線取り出し窓１５の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍである。
【００１７】
支持部材１６における支持面１７は、紫外線取り出し窓１５に対して傾斜した状態で形成されているが、紫外線取り出し窓１５に対する支持面１７の傾斜角度は１５〜４５°であることが好ましい。この傾斜角度が１５°未満である場合には、半導体発光素子２０の一面に対する電子線源３０からの電子線の入射角度が小さくなるため、電子線が半導体発光素子２０の活性層の内部に進入しにくくなり、従って、半導体発光素子２０の発光効率が低下するおそれがある。一方、この傾斜角度が４５°を超える場合には、半導体発光素子２０から放射される紫外線を紫外線取り出し窓１５から外部に取り出しにくくなり、従って、紫外線の取り出し効率が低下するおそれがある。
また、支持部材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における紫外線取り出し窓１５に対向した状態で、基板２１が支持部材１６の支持面１７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における紫外線が出射される表面２０ａと紫外線取り出し窓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においては、カーボンナノチューブが支持基板３１上に形成されており、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には、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３１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（図示省略）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（図示省略）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の寸法が、１０ｍｍφ、厚みが０．１５ｍｍ、電子線放出部３２の寸法が３ｍｍφ、厚みが０．０２５ｍｍ、電子線放出部３２における電子線が放射される面の面積が７ｍｍ2 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】
電子線集束用電極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。
電子線集束用電極４０の寸法の一例を示すと、内径が７〜１０ｍｍ、外径が９〜１２ｍｍ、厚みが０．１〜１ｍｍである。
【００２５】
チャージアップ防止部材４５を構成する材料、図示の例では、チャージアップ防止部材４５を形成する金属線の材質としては、アルミニウム、銀、金、白金、ステンレス、クロム、ニッケル、チタン、ジルコニウムなどの金属を用いることができる。
チャージアップ防止部材４５を形成する金属線の寸法等の一例を挙げると、金属線の幅が１００μｍ、厚みが２０μｍで、金属線の配置ピッチが１５００μｍである。
【００２６】
上記の電子線励起型紫外線放射装置においては、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る。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て電子線が形成される。この電子線は、電子線集束用電極４０によって半導体発光素子２０に向かって集束した後、半導体発光素子２０の表面２０ａすなわち活性層２５の表面から内部に入射される。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が励起される。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から紫外線が放射され、真空容器１０における紫外線取り出し窓１５を介して当該真空容器１０の外部に出射される。
【００２７】
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、８〜１３ｋＶであることが好ましい。加速電圧が過小である場合には、高い出力の紫外線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、電子線源３０と電子線集束用電極４０との間に印加される電圧は、例えば−０．１〜−２ｋＶである。
【００２８】
このような電子線励起型紫外線放射装置では、支持部材１６における半導体発光素子２０が配置される支持面１７が紫外線取り出し窓１５に対して傾斜している。そのため、当該半導体発光素子２０の周辺位置に電子線源３０を配置した場合であっても、半導体発光素子２０の一面に対する電子線源３０からの電子線の入射角度が十分に大きくすることができる。従って、半導体発光素子２０に電子線が効率よく入射されて、出力の高い紫外線を放射することができる。
また、半導体発光素子２０の周辺位置に電子線源３０を配置することができるので、装置の小型化を図ることができる。
また、半導体発光素子２０が配置される支持部材１６は高熱伝導性を有するため、半導体発光素子２０を支持部材１６を介して効率よく冷却することができる。従って、半導体発光素子２０の発光効率が低下することがなく、高い出力の紫外線を維持することができる。
また、支持部材は複数の支持面を有し、各支持面に半導体発光素子が互いに近接して配置されていることにより、紫外線の放射面積が大きくなり、一層高い出力の紫外線を維持することができる。
【００２９】
以上、本発明の電子線励起型紫外線放射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、図４に示す例では、支持部材１６の先端に、紫外線取り出し窓１５に対して傾斜する１つの支持面１７が形成されている。この支持面１７に、その表面２０ａが紫外線取り出し窓１５に対して傾斜した姿勢で、複数（図示の例では４つ）の半導体発光素子２０が、互いに近接して配置されている。これらの半導体発光素子２０の周辺位置には、１つの電子線源３０が、その電子線放出部３２が半導体発光素子２０の各々の表面２０ａを臨む姿勢で配置されている。
また、図５に示す例では、支持部材１６の先端に、それぞれ紫外線取り出し窓１５に対して傾斜する４つの扇状の支持面１７が形成されている。これらの支持面１７の各々に、その表面２０ａが紫外線取り出し窓１５に対して傾斜した姿勢で、半導体発光素子２０が、互いに近接して配置されている。これらの半導体発光素子２０の各々の周辺位置には、当該半導体発光素子２０に対応して、４つの電子線源３０が、その電子線放出部３２が当該半導体発光素子２０の表面２０ａを臨む姿勢で配置されている。
【符号の説明】
【００３０】
１０  真空容器
１１  容器基体
１２  底壁
１３ａ，１３ｂ  側壁
１５  紫外線取り出し窓
１６  支持部材
１７  支持面
２０  半導体発光素子
２０ａ  表面
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  保持部材
４０  電子線集束用電極
４１  保持部材
４５  チャージアップ防止部材
【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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