電子線源装置および電子線励起型光源装置
【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、カーボンナノチューブにより構成された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設けられた、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なり、カソード電極と電子引き出し電極との間の位置において、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が電子線放出部と離間して対向するよう配置されている。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が真空容器の内部に配置されてなる。
【解決手段】 この電子線源装置は、カーボンナノチューブにより構成された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設けられた、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なり、カソード電極と電子引き出し電極との間の位置において、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が電子線放出部と離間して対向するよう配置されている。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が真空容器の内部に配置されてなる。
【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子放射層が形成された電子線源と、この電子線源における電子放射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、電子放射層における電子線が放射される面上に、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、マスキング層を電子放射層の電子線が放射される表面上に位置合わせして配置する工程において、電子放射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、電子放射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を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、カーボンナノチューブにより構成された面状の電子線放出部を有するカソード電極と、前記電子線放出部と離間して対向するよう設けられた、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なり、
前記カソード電極と前記電子引き出し電極との間の位置において、前記電子線放出部から放出される電子線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が前記電子線放出部と離間して対向するよう配置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前記カソード電極の周囲に設けられており、
当該シールド部材には、前記電子線放出部の前記電子線放出面の周縁に沿ってフランジ部が形成されており、前記電子線レギュレータが当該フランジ部によって保持されることにより、当該電子線レギュレータと前記電子線放出部との離間距離の大きさが調整された状態とされていることが好ましい。
【０００９】
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は、前記カソード電極と同電位に維持された構成とされることが好ましい。
【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は、前記グリッド電極における電子線通過用開口と対向する位置に電子線通過用開口が形成されたものであることが好ましい。
【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が真空容器の内部に配置され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の作用によって、グリッド電極への電子衝突が抑制されるので、当該グリッド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がカーボンナノチューブにより構成された電子放出部と離間して配置されているので、当該電子線源装置の作製工程において、電子線レギュレータと電子引き出し電極とを適正な位置関係で配置するに際して、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装置によれば、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の概略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装置の構成の概略を示す、図１（Ｂ）におけるＡ−Ａ線端面図である。
【図４】本発明の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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１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１（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、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。
【００１５】
真空容器１０内には、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、面状の電子線放出部３２が形成されてなる電子線源装置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、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表面が半導体発光素子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１（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。
【００１６】
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１（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１（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
電子線源装置３０は、図３に示すように、電子線放出層３１ａが円環板状のカソード基板３１ｂの全周面に形成されてなるカソード電極３１を備えており、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円環板状のベース３５の一面上に設けられた円環板状のベースフレーム３６によって支持されている。
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の表面に形成されている。
【００２５】
この電子線源装置３０においては、半導体発光素子２０に対してカソード電極３１の内側および外側には、各々、略円筒体よりなる、カソード電極３１の面方向外方へ向かう電子線を遮蔽するシールド部材４０Ａ，４０Ｂがベース３５に固定されて設けられている。 シールド部材４０Ａには、調整された厚みの外方フランジ部４０１がカソード電極３１における電子線放出面３２ａの周縁に沿って延びるよう形成されており、また、シールド部材４０Ｂには、調整された厚みの内方フランジ部４０２がカソード電極３１における電子線放出面３２ａの周縁に沿って内方に延びるよう形成されており、この外方フランジ部４０１および内方フランジ部４０２の各々の内面とベースフレーム３６とによってカソード電極３１が保持固定されている。そして、カソード電極３１における電子線放出層３１ａの、外方フランジ部４０１および内方フランジ部４０２間の開口を介して露出される部分（図３において上面）によって面状の電子線放出部３２が形成されている。
【００２６】
カソード電極３１における電子線放出部３２の上方には、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が当該電子線放出部３２の電子線放出面３２ａと離間して対向するよう配置されており、この電子引き出し電極４６は、ベース３５の一面上におけるシールド部材４０Ａの内方位置およびシールド部材４０Ｂの外方位置にそれぞれ固定されたベースフレーム３９によって支持された電子引き出し電極保持部材４７とフランジ部４８ａを有する円筒体よりなるキャップ部材４８におけるフランジ部４８ａの内面とによって保持固定されている。
電子引き出し電極４６は、板状の基材に複数の電子線通過用開口４６ａが所定のパターンに従って形成されて構成されており、具体的には例えば、横断面が正六角形の電子線通過用開口４６ａが隔壁を介してハニカム状に並ぶよう形成されてなるものを用いることができる。
カソード電極３１および電子引き出し電極４６は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図１（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子線放出用電源５６に、電子引き出し電極４６が正極、カソード電極３１が負極となるよう電気的に接続されている。
【００２７】
カソード電極３１と電子引き出し電極４６との間の位置には、電子線放出部３２から放出される電子線を電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａに向かって指向させる電子線レギュレータ４５が、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と離間して対向するよう配置されている。
電子線レギュレータ４５は、板状の基材に、電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａと同一形状の電子線通過用開口４５ａが電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａの開口パターンに対応して形成されて構成されている。この電子線レギュレータ４５は、電子線通過用開口４５ａが電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａに位置合わせされた状態で、シールド部材４０Ａにおける外方フランジ部４０１およびシールド部材４０Ｂにおける内方フランジ部４０２の上面に保持固定されており、これにより、電子線レギュレータ４５の下面とカソード電極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）が調整された状態とされている。ここに、電子線レギュレータ４５の下面とカソード電極３１の電子線放出部３２における電子線放出面３２ａとの間の離間距離は、例えば２０〜１００μｍであり、電子線レギュレータ４５の上面と電子引き出し電極４６の下面との間の離間距離は例えば１００〜５００μｍである。
電子線レギュレータ４５は、カソード電極３１と同電位に維持される。
【００２８】
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４０Ａ，４０Ｂ、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、電子線レギュレータ４５およびキャップ部材４８を構成する材料としては、例えば４２６合金（４２％ニッケル−６％クロム−５２％鉄合金）、４７６合金（４７％ニッケル−６％クロム−４７％鉄合金）、鉄ニッケル合金（５０％ニッケル−５０％鉄合金）などの低線膨張係数の金属材料などを用いることができる。
【００２９】
電子線源装置３０の寸法の一例を挙げると、カソード基板３１ａ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射される電子線放出面３２ａの面積が１３８ｍｍ2 、シールド部材４０Ａ，４０Ｂにおける外方フランジ部４０１，内方フランジ部４０２の厚みが０．０７５ｍｍ、電子線レギュレータ４５の厚みが０．０７５ｍｍ、電子引き出し電極４６の下面と電子放出部３２における電子放出面３２ａとの間の離間距離が０．５ｍｍ、電子引き出し電極４６の厚みが０．０７５ｍｍ、電子線レギュレータ４５における電子線通過用開口４５ａおよび電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａの開口径が１．０ｍｍである。
【００３０】
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、カソード電極支持用のベースフレーム３６およびグリッド電極保持部材支持用のベースフレーム３９をベース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、図４（Ａ）に示すように、電子線放出層３１ａが板状のカソード基板３１ｂの全周に形成されてなるカソード電極３１をベースフレーム３６の一面上に配置した状態で、外方フランジ部４０１を有するシールド部材４０Ａおよび内方フランジ部４０２を有するシールド部材４０Ｂ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ことにより、カソード電極３１をシールド部材４０Ａの外方フランジ部４０１およびシールド部材４０Ｂの内方フランジ部４０２とベースフレーム３６とによって保持固定する。ここに、カソード基板３１ｂ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３１ｂ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４（Ｂ）に示すように、シールド部材４０Ａ，４０Ｂにおける外方フランジ部４０１および内方フランジ部４０２の上面に、所定のパターンに従って電子線通過用開口４５ａが形成された電子線レギュレータ４５を例えば溶接により固定すると共に、図４（Ｃ）に示すように、電子引き出し電極保持部材４７をベースフレーム３９の一面上に例えば溶接により固定する。
そして、図４（Ｄ）に示すように、電子線レギュレータ４５の電子線通過用開口４５ａの開口パターンに対応して電子線通過用開口４６ａが形成された電子引き出し電極４６をキャップ部材４８におけるフランジ部４８ａの内面に例えば溶接により固定しておき、図４（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を電子線レギュレータ４５における電子線規制用開口４５ａに対して位置合わせした状態で、電子引き出し電極４６を電子引き出し電極保持部材４７に例えば溶接により固定し、以って、電子線源装置３０を作製することができる。
【００３１】
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、カソード電極３１と同電位に維持された電子線レギュレータ４５と電子引き出し電極４６との間に形成される電界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、グリッド電極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。
【００３２】
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。
【００３３】
上記の電子線源装置３０によれば、基本的には、電子線レギュレータ４５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４５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と離間して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、電子線レギュレータ４５と電子引き出し電極４６とを適正な位置関係で配置するに際して、電子線放出部３２が例えば擦過されて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３０を具えた電子線励起型光源装置によれば、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るので、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。
【００３４】
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蛍光表示管などの電子管よりなる蛍光表示装置など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。
【００３５】
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出射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、電界制御電極は、半導体発光素子に対して電子線源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】
【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 電子線源装置
３１ カソード電極
３１ａ 電子線放出層
３１ｂ カソード基板
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
３９ ベースフレーム
４０Ａ，４０Ｂ シールド部材
４０１ 外方フランジ部
４０２ 内方フランジ部
４５ 電子線レギュレータ
４５ａ 電子線通過用開口
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
４８ａ フランジ部
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
【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子放射層が形成された電子線源と、この電子線源における電子放射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、電子放射層における電子線が放射される面上に、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、マスキング層を電子放射層の電子線が放射される表面上に位置合わせして配置する工程において、電子放射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、電子放射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を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、カーボンナノチューブにより構成された面状の電子線放出部を有するカソード電極と、前記電子線放出部と離間して対向するよう設けられた、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なり、
前記カソード電極と前記電子引き出し電極との間の位置において、前記電子線放出部から放出される電子線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が前記電子線放出部と離間して対向するよう配置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前記カソード電極の周囲に設けられており、
当該シールド部材には、前記電子線放出部の前記電子線放出面の周縁に沿ってフランジ部が形成されており、前記電子線レギュレータが当該フランジ部によって保持されることにより、当該電子線レギュレータと前記電子線放出部との離間距離の大きさが調整された状態とされていることが好ましい。
【０００９】
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は、前記カソード電極と同電位に維持された構成とされることが好ましい。
【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は、前記グリッド電極における電子線通過用開口と対向する位置に電子線通過用開口が形成されたものであることが好ましい。
【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が真空容器の内部に配置され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の作用によって、グリッド電極への電子衝突が抑制されるので、当該グリッド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がカーボンナノチューブにより構成された電子放出部と離間して配置されているので、当該電子線源装置の作製工程において、電子線レギュレータと電子引き出し電極とを適正な位置関係で配置するに際して、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装置によれば、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の概略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装置の構成の概略を示す、図１（Ｂ）におけるＡ−Ａ線端面図である。
【図４】本発明の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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１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１（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、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。
【００１５】
真空容器１０内には、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、面状の電子線放出部３２が形成されてなる電子線源装置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、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表面が半導体発光素子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１（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。
【００１６】
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１（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１（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
電子線源装置３０は、図３に示すように、電子線放出層３１ａが円環板状のカソード基板３１ｂの全周面に形成されてなるカソード電極３１を備えており、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円環板状のベース３５の一面上に設けられた円環板状のベースフレーム３６によって支持されている。
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の表面に形成されている。
【００２５】
この電子線源装置３０においては、半導体発光素子２０に対してカソード電極３１の内側および外側には、各々、略円筒体よりなる、カソード電極３１の面方向外方へ向かう電子線を遮蔽するシールド部材４０Ａ，４０Ｂがベース３５に固定されて設けられている。 シールド部材４０Ａには、調整された厚みの外方フランジ部４０１がカソード電極３１における電子線放出面３２ａの周縁に沿って延びるよう形成されており、また、シールド部材４０Ｂには、調整された厚みの内方フランジ部４０２がカソード電極３１における電子線放出面３２ａの周縁に沿って内方に延びるよう形成されており、この外方フランジ部４０１および内方フランジ部４０２の各々の内面とベースフレーム３６とによってカソード電極３１が保持固定されている。そして、カソード電極３１における電子線放出層３１ａの、外方フランジ部４０１および内方フランジ部４０２間の開口を介して露出される部分（図３において上面）によって面状の電子線放出部３２が形成されている。
【００２６】
カソード電極３１における電子線放出部３２の上方には、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が当該電子線放出部３２の電子線放出面３２ａと離間して対向するよう配置されており、この電子引き出し電極４６は、ベース３５の一面上におけるシールド部材４０Ａの内方位置およびシールド部材４０Ｂの外方位置にそれぞれ固定されたベースフレーム３９によって支持された電子引き出し電極保持部材４７とフランジ部４８ａを有する円筒体よりなるキャップ部材４８におけるフランジ部４８ａの内面とによって保持固定されている。
電子引き出し電極４６は、板状の基材に複数の電子線通過用開口４６ａが所定のパターンに従って形成されて構成されており、具体的には例えば、横断面が正六角形の電子線通過用開口４６ａが隔壁を介してハニカム状に並ぶよう形成されてなるものを用いることができる。
カソード電極３１および電子引き出し電極４６は、真空容器１０の内部から外部に引き出された導電線（図１（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子線放出用電源５６に、電子引き出し電極４６が正極、カソード電極３１が負極となるよう電気的に接続されている。
【００２７】
カソード電極３１と電子引き出し電極４６との間の位置には、電子線放出部３２から放出される電子線を電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａに向かって指向させる電子線レギュレータ４５が、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と離間して対向するよう配置されている。
電子線レギュレータ４５は、板状の基材に、電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａと同一形状の電子線通過用開口４５ａが電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａの開口パターンに対応して形成されて構成されている。この電子線レギュレータ４５は、電子線通過用開口４５ａが電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａに位置合わせされた状態で、シールド部材４０Ａにおける外方フランジ部４０１およびシールド部材４０Ｂにおける内方フランジ部４０２の上面に保持固定されており、これにより、電子線レギュレータ４５の下面とカソード電極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）が調整された状態とされている。ここに、電子線レギュレータ４５の下面とカソード電極３１の電子線放出部３２における電子線放出面３２ａとの間の離間距離は、例えば２０〜１００μｍであり、電子線レギュレータ４５の上面と電子引き出し電極４６の下面との間の離間距離は例えば１００〜５００μｍである。
電子線レギュレータ４５は、カソード電極３１と同電位に維持される。
【００２８】
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４０Ａ，４０Ｂ、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、電子線レギュレータ４５およびキャップ部材４８を構成する材料としては、例えば４２６合金（４２％ニッケル−６％クロム−５２％鉄合金）、４７６合金（４７％ニッケル−６％クロム−４７％鉄合金）、鉄ニッケル合金（５０％ニッケル−５０％鉄合金）などの低線膨張係数の金属材料などを用いることができる。
【００２９】
電子線源装置３０の寸法の一例を挙げると、カソード基板３１ａ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射される電子線放出面３２ａの面積が１３８ｍｍ2 、シールド部材４０Ａ，４０Ｂにおける外方フランジ部４０１，内方フランジ部４０２の厚みが０．０７５ｍｍ、電子線レギュレータ４５の厚みが０．０７５ｍｍ、電子引き出し電極４６の下面と電子放出部３２における電子放出面３２ａとの間の離間距離が０．５ｍｍ、電子引き出し電極４６の厚みが０．０７５ｍｍ、電子線レギュレータ４５における電子線通過用開口４５ａおよび電子引き出し電極４６における電子線通過用開口４６ａの開口径が１．０ｍｍである。
【００３０】
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、カソード電極支持用のベースフレーム３６およびグリッド電極保持部材支持用のベースフレーム３９をベース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、図４（Ａ）に示すように、電子線放出層３１ａが板状のカソード基板３１ｂの全周に形成されてなるカソード電極３１をベースフレーム３６の一面上に配置した状態で、外方フランジ部４０１を有するシールド部材４０Ａおよび内方フランジ部４０２を有するシールド部材４０Ｂ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ことにより、カソード電極３１をシールド部材４０Ａの外方フランジ部４０１およびシールド部材４０Ｂの内方フランジ部４０２とベースフレーム３６とによって保持固定する。ここに、カソード基板３１ｂ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３１ｂ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４（Ｂ）に示すように、シールド部材４０Ａ，４０Ｂにおける外方フランジ部４０１および内方フランジ部４０２の上面に、所定のパターンに従って電子線通過用開口４５ａが形成された電子線レギュレータ４５を例えば溶接により固定すると共に、図４（Ｃ）に示すように、電子引き出し電極保持部材４７をベースフレーム３９の一面上に例えば溶接により固定する。
そして、図４（Ｄ）に示すように、電子線レギュレータ４５の電子線通過用開口４５ａの開口パターンに対応して電子線通過用開口４６ａが形成された電子引き出し電極４６をキャップ部材４８におけるフランジ部４８ａの内面に例えば溶接により固定しておき、図４（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を電子線レギュレータ４５における電子線規制用開口４５ａに対して位置合わせした状態で、電子引き出し電極４６を電子引き出し電極保持部材４７に例えば溶接により固定し、以って、電子線源装置３０を作製することができる。
【００３１】
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、カソード電極３１と同電位に維持された電子線レギュレータ４５と電子引き出し電極４６との間に形成される電界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、グリッド電極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。
【００３２】
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。
【００３３】
上記の電子線源装置３０によれば、基本的には、電子線レギュレータ４５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４５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と離間して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、電子線レギュレータ４５と電子引き出し電極４６とを適正な位置関係で配置するに際して、電子線放出部３２が例えば擦過されて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３０を具えた電子線励起型光源装置によれば、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るので、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。
【００３４】
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蛍光表示管などの電子管よりなる蛍光表示装置など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。
【００３５】
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出射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、電界制御電極は、半導体発光素子に対して電子線源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】
【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 電子線源装置
３１ カソード電極
３１ａ 電子線放出層
３１ｂ カソード基板
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
３９ ベースフレーム
４０Ａ，４０Ｂ シールド部材
４０１ 外方フランジ部
４０２ 内方フランジ部
４５ 電子線レギュレータ
４５ａ 電子線通過用開口
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
４８ａ フランジ部
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブにより構成された面状の電子線放出部を有するカソード電極と、前記電子線放出部と離間して対向するよう設けられた、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なり、
前記カソード電極と前記電子引き出し電極との間の位置において、前記電子線放出部から放出される電子線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が前記電子線放出部と離間して対向するよう配置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前記カソード電極の周囲に設けられており、
当該シールド部材には、前記電子線放出部の前記電子線放出面の周縁に沿ってフランジ部が形成されており、前記電子線レギュレータが当該フランジ部によって保持されることにより、当該電子線レギュレータと前記電子線放出部との離間距離の大きさが調整された状態と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】
前記電子線レギュレータは、前記カソード電極と同電位に維持されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子線源装置。
【請求項４】
前記電子線レギュレータは、前記グリッド電極における電子線通過用開口と対向する位置に電子線通過用開口が形成されたものであ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が真空容器の内部に配置されてなることを特徴とする電子線励起型光源装置。
【請求項１】
カーボンナノチューブにより構成された面状の電子線放出部を有するカソード電極と、前記電子線放出部と離間して対向するよう設けられた、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なり、
前記カソード電極と前記電子引き出し電極との間の位置において、前記電子線放出部から放出される電子線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が前記電子線放出部と離間して対向するよう配置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前記カソード電極の周囲に設けられており、
当該シールド部材には、前記電子線放出部の前記電子線放出面の周縁に沿ってフランジ部が形成されており、前記電子線レギュレータが当該フランジ部によって保持されることにより、当該電子線レギュレータと前記電子線放出部との離間距離の大きさが調整された状態と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】
前記電子線レギュレータは、前記カソード電極と同電位に維持されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子線源装置。
【請求項４】
前記電子線レギュレータは、前記グリッド電極における電子線通過用開口と対向する位置に電子線通過用開口が形成されたものであ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が真空容器の内部に配置されてなることを特徴とする電子線励起型光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１９５１４４（Ｐ２０１２−１９５１４４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５７８８６（Ｐ２０１１−５７８８６）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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