JP2001526824A - 超小形放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 集積回路製造で一般に採用されている微細加工技術を介して、好適にはシリコン・ウェーハである一体構造の単体基板（１４）内に超小形放電ランプ（１０）が形成される。ランプ（１０）には水銀上記のような放電封入ガス（１６）を封入するための微細加工された空洞（１２）の領域が含まれている。単体の基板はランプ用の電極（１４、２０）として機能する単数または複数の半導体領域を含んでいる。光透過性のキャップが空洞領域を封止する。空洞領域の特定の口径／長さ比を選択することで、ランプを陽光柱放電または中空陰極放電のいずれかで動作させることができる。約２００トルに及ぶ圧力での中空陰極放電が実証され。空洞領域の口径が約１から４００μｍと微小であることで、放電中の電子は衝撃性を有することができる。加えて、微小な寸法によって、原子水銀の２５３ｎｍ線のような共鳴放射に基づく放電が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】 超小形放電ランプ 技術分野 この発明は超小形放電ランプに関する。この発明は特に、シリコン・ウェーハ のような一体構造の単体基板内に形成された陰極を有する、中空陰極の形状の中 空陰極超小形放電ランプに関する。基板内の微小空洞は放電封入ガスを含んでい る。基板全体は半導体でもよく、または半導体領域を含んでいてもよく、それに よって微小空洞の周囲に陰極を形成する。表示装置、およびより一般的な照明の 用途を含む超小形放電ランプの多くの用例は当業者には明らかであろう。 背景技術 異なる形式の放電ランプは約１世紀にわたって使用されてきた。今日、水銀蒸 気、ナトリウム蒸気、およびメタルハライドランプのようなガス放電ランプは照 明産業での大きな部分を占め続けている。ランプは一般的には、間隔隔離された 金属導体電極の間に電圧を印加することによって電気的に励起される蒸気、また はガスを保持する連続封止された容器から形成される。 中空陰極のガス放電ランプ内の電圧・圧力比が一定の場合、放射される光度は 容器内の圧力の関数として上昇することはよく知られている。しかし、圧力は効 率がよい光源を形成するために透明、または半透明でなければならない容器材料 の強度によって限定される。もう１つの限定性は、伝統的な態様で、一般的には 金属内に形成される陰極の直径によるものであり、それによって真の中空陰極放 電ランプとしての動作中に第２の圧力制限がもたらされる。 表示装置における配慮要因は解像度であり、これは一般的にはインチ当たりの ピクセルによって規定される。このような従来形のランプの場合、現在採用され ている金属加工技術では放電空洞の直径は約７００μｍ、またはそれ以上に限定 されてきた。金属中に極めて浅い穴を穿孔するために、直径が約３３８μｍであ る＃８０のドリル・ビットを使用できるものの、中空陰極動作のためのアスペク ト比（深さと口径の比が約４：１）は未だに達成されていない。従って表示の潜 在解像度は７００μｍを超えるピクセル・サイズに限定されている。色変化のた めに別個の放電効果を組合わせる必要性によって潜在解像度は更に低下する。 これらの問題点に対する解決方法の１つは、カーン他の米国特許明細書第５、 ４３８、３４３号で提案されている。この特許は各々が単一の大きい空洞よりも 高い圧力を許容する多数の微小空洞を考案している。微小空洞は融解水晶、サフ ァイヤ、ガラスまたはその他の透明、または半透明の材料で微細加工された２つ の基板をウェーハ・ボンディングすることによって形成される。別個の基板内の 空洞は位置合わせされて、基板が接合された後で封入ガスを収納するために容器 が形成される。ＲＦ“無電極”の実施例が開示されているが、他の実施例は別個 の金属電極を収容するために、基板の一方または双方の容器の近傍にエッチング された溝を含んでいる。電極を封入ガスと電気的に接触するように溝内に蒸着し 、またはその他の方法で配置した後、別個の基板はファン・デル・ワールス力に よって互いに接合される。 容器の真空の完全性を保持するように電極が配置される部位には別個のプラグ が必要である。ガラスでよいプラグ材料が、封入ガス容器を形成する微小空洞を 強化するために金属層上に溶着される。この補足的なステップが必要であるのは 、別個の電極を収容するために必要な溝によって弱くなった空洞を補強するため である。加えて、別個の基板を接合するためにファン・デル・ワールス力に依存 すること、および補強用プラグが必要であることで、容器内の潜在圧力が限定さ れ、素子の製造が大幅に複雑になる。圧力は放電およびアーク中に放電縞が形成 されることによっても限定される。カーン氏のランプの別の難点は、基板材料自 体に関するものである。カーン氏の特許で使用されている透明、または半透明の 基板用のサファイヤ、融解水晶、およびその他の材料は、脆く、加工が困難であ る。カーン氏の素子の動作も、素子の形状により陽光柱放電に限定されている。 他にも、直径が約７００μｍの中空金属陰極内の空洞が提案されている。早く も１９５９年に、ホワイト氏はモリブデンおよびニオビウムを含む多様な金属内 に形成された、標準直径が７５０μの中空陰極素子を検討している。ホワイト著 “新規の中空陰極グロー放電”応用物理学ジャーナル、３０、７１１（１９５９ 年）より最近では、シェーンバッハ氏がモリブデンに加工した直径約７００μｍ の空洞を有する中空陰極ランプを製造し、研究している。シェーンバッハ他著“ 微小中空陰極放電”応用物理学紀要、６８、１３（１９９６年）しかし、金属内 に直径約７００μｍの空洞を製造するために採用されたプロセスは大量生産には 結びつかない。加えて、陰極内に金属壁をスパッタすることで素子の寿命が制約 される。 シェーンバッハ氏も７００μｍ未満の空洞の利点を認識している。しかし、こ のような空洞は公知の方法では金属内に直接加工できない。シェーンバッハ氏は モリブデン内の７５μｍの有効空洞を報告しているが、この空洞は陰極のほとん どを形成するおよそ７００μｍの加工された穴と、より小さい７５μｍの陰極口 径とからなるものであり、従って素子の上部にしか微小空洞の口径は形成されな い。この構成はそれ自体は大量生産には結びつかず、また、このような２部分か らなる陰極の性能特性は、約５００μｍ未満から僅か約１μｍまでの最大直径を 有する真の微小空洞陰極と同様であるかは明らかではない。 金属陰極素子のもう１つの問題点は、金属がヨウ化キセノンのような合成封入 ガスに反応した場合に環境に有害な安定化合物が生成されることである。このよ うな封入ガスは、環境に有害な成分である水銀の共鳴発光に類似した発光を生成 する点で潜在的な関心を呼んでいる。しかし、ヨウ化キセノンのような化合物は 反応して金属陰極と共に安定有害化合物を生成する傾向がある。 従って、この発明の目的は、前述のような従来形のランプの幾つかの限界を解 決する超小形放電ランプを提供することにある。 この発明の更なる目的は、微小空洞の周囲に陰極を形成する単体基板内に少な くとも１つの微小空洞を有し、この微小空洞は約１μｍから約４００μｍの口径 を有している、超小形放電ランプを提供することにある。 この発明の別の目的は、シリコン基板内に気体または蒸気のような導電性の封 入ガスを封入した微小空洞を含んでおり、封入ガスは微小空洞の周囲のシリコン 内に形成された半導体陰極と電気的に接触する、超小形放電ランプを提供するこ とにある。 この発明の更に別の目的は、シリコン内に形成された単数または複数の半導体 電極と電気的に接触される導電性の封入ガスを封入した微小空洞をシリコン基板 内に含み、ランプは空洞の長さと空洞の口径との選択された比率に応じて、約２ ０トル／ｍｍを超えるｐＤ（圧力／直径）で中空陰極放電ランプとして動作する 、超小形放電ランプを提供することにある。 発明の開示 この発明は微細加工された微小空洞を有する超小形放電ランプに関する。シリ コン・ウェーハのような単体基板内に微小空洞を形成するために集積回路の微細 加工および製造技術が採用される。基板の半導体領域は好適には微小空洞を囲む 陰極を形成する。充分な空洞の口径・長さ比を選択することによって、ランプを 約２０トル／ｍｍを超えるｐＤで中空陰極放電ランプとして動作させることがで きる。空洞のサイズが約１μｍから約４００μｍ程度の微小なサイズであること により、放電中の電子を衝撃的なものにすることができる。加えて、サイズが微 小であることで、例えば２５３ｎｍ線の原子水銀のような共鳴放射の有効な放電 が可能になる。超小形放電ランプのアレイを光源、平形表示装置、高解像度のフ ラットパネル・テレビスクリーン、およびその他の多くの装置として使用できる 。 図面の簡単な説明 この発明のその他の特徴、目的、および利点は図面を参照した詳細な説明によ って明らかにされる。 図１Ａはこの発明に基づいて形成された超小形放電ランプの基本構造を示した 断面図である。 図１Ｂは別個の放電封入ガス・リザーバを含むこの発明の超小形放電ランプを 示した断面図である。 図２はＮｅガスを封入し、圧力が２０から１００トルである、この発明に基づ く直径が４００μｍ、長さ１．７５ｍｍの円筒口径を有する超小形放電ランプの Ｉ−Ｖの特性曲線のプロットである。 図３はＮｅガスを封入し、直径が４００μｍ、長さが３．５ｍｍの円筒口径を 有するこの発明に基づく超小形放電ランプと、従来形のスペクトロメータ中空陰 極ランプ、および従来形の陽光柱ランプの紫外線レンジの近傍での発光スペクト ルを比較したプロットである。 図４は幾つかのＮｅガス圧について、図３に示したこの発明の超小形ランプの スペクトルの変化を示したプロットである。 図５はこの発明に基づいて構成した、二次元アドレス付け不能アレイの基本構 造を示した透視図である。 図６はこの発明に基づいて構成した、二次元アドレス可能アレイの基本構造を 示した透視図である。 図７はこの発明に基づいて構成した、クロスバー方式でアドレスされた二次元 アレイの基本構造を示した透視図である。 発明を実施する最良の態様 この発明に基づく超小形放電ランプ１０が図１に示されている。ランプ１０は 超小形エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）の分野で利用されている幾 つかの技術とも類似している半導体産業の製造技術の組合わせを利用して形成し てもよい。ランプ１０は半導体基板１４内の微小空洞１２の形状で形成された中 空陰極の幾何学的形状を有している。実施例はシリコン半導体を使用して製造さ れたが、IV群（Ｇｅ、ダイアモンド）、III−Ｖ群（ＧａＡｓ、ＩｎＰ）、およ びII−VI群（ＺｎＳｅ）の半導体の類似した動作特性は、これらの基板をこの発 明に基づいて構成されたランプに使用してもよいことを示している。 基本構造と動作 空洞１２は陰極表面を形成し、好適には気体または蒸気である放電封入ガス１ ６の容器の役割を果たし、ランプ１０の放電容積を規定する。二酸化シリコン、 ガラス、または窒化シリコンのような誘電体１８が陰極半導体１６上に形成され 、ランプは陽極層２０を蒸着することによって完成する。陽極層はＮｉ／Ｃｒの ような金属でもよく、または多結晶シリコンのような別の半導体材料層でもよい 。放電を封止する態様はランプ１０が組込まれる装置の種類によって異なる。放 電ランプのアドレス可能な表示装置のためには、各々の空洞、または小さく区分 けされた空洞を共通の光透過性キャップで封止してもよい。大きい光源のような 別 の用途では、陽極２０のやや上に延在形成された共通の容積によって空洞を大き く区分けしてもよい。 ランプ１０用の電極としても機能する一体構造の単体の半導体内に微小空洞１ ２を形成することで、微小空洞は高圧に耐えるようになり、別個の陰極を形成す る必要がなくなる。円筒形の微小空洞１２を図示しているが、放電容積は任意の 形状にすることができる。放電容積は極めて微小なサイズであり、サイズは空洞 １２を形成するために採用される集積回路製造技術の能力によってのみ限定され る。プラズマ・エッチング、超音波加工、および紫外線レーザー切除は、直径が 例えば図示した円筒形の場合は１μｍから約４００μｍまでの微小空洞の口径を 製造可能な適切な製造技術である。標準形のフォトリソグラフ技術によって約０ ．３μｍの口径が可能になり、ｅ−ビーム・リソグラフによって更に微小な口径 が可能になる。 従って、微小空洞１２の長さＬと口径Ａの比率は、陽光柱放電または中空陰極 放電のいずれかとして放電動作が可能であるように選択してよい。長さが口径の 数倍である場合、空洞１２内のガス圧に応じて放電を中空陰極、陽光、または正 常グロー放電として動作するようにできる。中空陰極として動作する場合は放電 内に高エネルギ電子が発生し、一方、それによって従来のサイズの放電では容易 に得ることができない気体原子または分子のより高いエネルギ状態に接近するこ とが可能になる。更に、放電直径を縮小することによって、従来サイズの放電よ りも高い圧力で放電を行うことができ、かつ点光源により精密に近似させること ができる。 空洞１２の寸法を任意に微小にすることにより、微小放電の物理的寸法を電子 が別の粒子と衝突するための平均自由行程未満にすることもできる。このように 、放電中の電子は衝撃的なものになり、陰極１４と陽極２０との間の放電に印加 される電圧にほぼ等しいエネルギが発生される。エネルギは銅のような金属基板 ２４を介して導電性エポキシ２２を経て陰極１４に印加してもよい。陽極層２０ には別個の接触がなされる。 陰極材料は大きい抵抗を有するものでよく、それでもなお安定放電が可能であ る。従来形の放電は陰極と陽極に金属を使用している。中空陰極の形状を有する 抵抗がより高い半導体基板を使用すれば、電圧は恐らく陰極の長手方向に沿って 変化するであろう。しかし、この発明はこのような材料を使用して安定放電を達 成する能力を実証するものである。このような基板内での放電が可能であること によって、上記に挙げたような確立された多くの超小形製造技術を使用できる。 好適な半導体材料であるシリコンも従来形の放電で使用される金属と好適に匹敵 する。シリコンはスパッタに対する抵抗性が高く、ほぼ随意の純度で入手でき、 （Ｆｅ、Ｎｉ、またはＰｄのような）多くの金属よりも熱伝導率が高く、融点が 高い（１４１５℃）。更にシリコンは安価であり、環境に無害である。 半導体基板を使用することによって更に、放電素子を電子機器に直接組入れる ことができる。加えて、相互接続の固有抵抗を調整することによって安定抵抗器 を形成することができる。 上記のような複合的な特徴によって、ランプ１０は従来のサイズの放電では困 難または不前能であった態様で光線を発生することが可能になる。より大きい従 来形の放電素子では、実情とは離れた低い圧力の間しか衝撃電子が得られない。 何故ならば、電子と気体原子または分子との衝突の平均自由行程は下記に数式に よって算出されるからである。 但し、Ｎは放電封入ガスの気体分子密度、すなわちガス圧であり、σは衝突の ための口径である。このように、放電中のガス圧が高まると平均自由行程が減少 する。超小形放電ランプ１０では、ガス圧が従来の放電で達成可能である数値以 上に上昇でき、しかも衝撃モードで動作できるように充分に微小な寸法を選択で きる。電子エネルギ分布関数の操作によって更に、約７００μｍの微小さの口径 を有する従来形の相対的に大きい容積からは得られない発光波長が可能になる。 従って、微小な口径によって更に、例えば基底状態で終端し、光子放射を生成 する電子遷移のような共鳴放射の発光も可能になる。このような発光は強力にな る傾向がある。関心が持たれる発光の１つは原子水銀の２５３．７ｎｍ線であり 、これは中間波長紫外線レンジにあり、殺菌の用途、ポリマー硬化、およびこれ に 類する用途に使用すれば有効である。このような共鳴発光から発生する光子は迅 速に再吸収される。このような理由から、従来形の水銀共鳴ランプは一般的には 壁厚の毛細管から構成され、共鳴光子が放電空洞から脱出できるように低い水銀 分圧（約５０ｍトル）で動作する。これに対して、微小空洞の口径が約１から４ ００μｍであり、高圧に耐性がある微小空洞１２を有する本発明の超小形放電ラ ンプ１０では、共鳴光子の大部分が放電空洞１２を脱出することができる。その ため、放電口径を所定の圧力での放電中に共鳴光子が吸収される平均距離にほぼ 等しいか、それ未満のサイズにすることができる。このように、この発明の超小 形放電ランプ１０によって共鳴発光の光子の大部分が脱出可能である。 超小形放電ランプ１０によって数百トルを超えるガラス圧での動作が可能であ ることで、従来形のランプでは不可能であったＸｅＩおよびＸｅ２のような遷移 分子種を製造できる。ＸｅＩは２５４ｎｍの紫外線レンジでの発光を生じ、これ は水銀の共鳴発光と実質的に一致する。 その結果、水銀に伴う環境上の問題点を回避するために、この発明のランプで 水銀の代用としてＸｅＩを使用してもよい。 放電ランプ１０の製造 ガラス（ソーダ石灰ガラス）のミクロ・スライドの一部に金属層を蒸着して、 この発明に基づく実験的な超小形放電ランプが形成された。実験的なランプの製 造に使用された金属にはＣｒ、ＮｉメッキのＣｒ、電気メッキされたＮｉでメッ キされたＮｉでメッキされたＣｒ、およびＡｌでメッキされたＣｒが含まれる。 次に金属はフォトレジストでマスキングされ、かつ湿式エッチングされることに より直径が約１ｃｍの円形の形状にパターン形成された。その後、ガラスは５ｍ ｍ立方の単結晶高純度のシリコン、または５ｍｍ立方の冶金グレードのシリコン へとエポキシ化された。次に超音波加工技術で所望の寸法の穴を超音波加工する ことによって各々の実験的ランプが完成した。 ランプの大量生産は別の方法で達成可能であろう。考案された第１の方法は基 板の表面と裏面の双方への接触を利用することである。考案された第２の方法で は、上面だけに接触が必要であり、ランプは電気的に絶縁されるように製造でき る。考案された第３の方法には素子の寿命を延ばすためにガス・リザーバを製造 する工程が含まれる。 第１の方法は従来通りに形成された単結晶シリコン基板から開始され、下記の ステップを経て完成した。 １）誘電絶縁層として機能するように基板上に二酸化シリコン層を成長させ、 もしくは蒸着する。 ２）陽極として機能するようにポリシリコを成長させ、もしくは蒸着する。 ３）ポリシリコンをパターン化し、エッチングして所望の陽極形状を形成する 。 ４）基板への接触が可能であるように、酸化物が裏面にあればエッチングで除 去する。５）放電が行われる予定の部位にポリシリコン陽極が曝されるように、 フォトレジストでサンプルをマスキングする。 ６）ポリシリコンおよび二酸化シリコン層をエッチングする。 ７）反応性イオン・エッチングを利用して単結晶シリコン基板をエッチングし 、微小空洞陰極を形成する。 第２の方法の準備ステップは軽くドーピングされたシリコン基板を製造するこ とである。簡明にするため、基板はｐ形ドーピングされるものと想定する。しか し、この方法はｐ−形ドーピングの代わりにｎ−形ドーピングされた基板にも等 しく適用できる。第２の方法は、開始時の基板が軽くｐ−形ドーピングされたも のとの前提で下記のステップからなっている。 １）基板の上面にｎ−形層を拡散する。この拡散では特定領域だけが拡散する ようにマスキングしてもよい。 ２）誘電絶縁層として機能するように二酸化シリコン層を成長させ、もしくは 蒸着する。 ３）陽極層として機能するようにポリシリコを成長させ、もしくは蒸着する。 ４）ポリシリコンをパターン化し、エッチングして所望の陽極形状を形成する 。 ５）基板への接触が必要ならばそれが可能であるように、酸化物が裏面にあれ ばエッチングで除去する。 ６）陽極を保護し、かつポリシリコンから形成された放電が陰極に近接しない ように、（二酸化シリコンまたは窒化シリコンのような）誘電体の第２層を蒸着 する。 ７）放電を規定するためにサンプルをフォトレジストでマスキングする。 ８）誘電層とポリシリコン層の双方をエッチングして、所望の口径の微小空洞 の開口部を形成する。 ９）所望の口径の陰極を基板内に反応性イオン・エッチングする。 １０）ｎ−形トープ剤を陰極へと拡散する。 １１）ポリシリコン層、ｎ−形層、およびｐ−形基板への接触を開放する。 １２）チップへの接触をオフにするのに金属化が必要ならばそれを行う。 第２の方法では、素子の絶縁は逆偏倚、同偏倚、またはｐ−ｎ接合を導通する 電流を阻止するいずれかの偏倚設定によって達成可能である。 素子の寿命を延ばすために、ガス・リザーバを有する素子を製造してもよい。 このような素子は図１Ａに示されており、図１Ｂと共通の素子には同一の参照番 号が付されている。基板１４は好適には、空洞１２を囲むｎ−形拡散領域１５を 含むｐ−形シリコン基板である。付加的なｎ−形シリコン基板１７は空洞１２の 下にリザーバ２１を形成する。陰極のための接触穴２３ａと陽極のための接触穴 ２３ｂが陰極１５と陽極２０とを絶縁する誘電層１８を貫通している。このよう な素子は下記のステップに基づいて製造できる。 １）基板１４の上面にｎ−形層１５を拡散する。特定領域だけが拡散するよう に、この拡散にはマスキングしてもよい。 ２）誘電絶縁層として機能するように二酸化シリコン層１８を成長させ、もし くは蒸着する。 ３）陽極２０として機能するようにポリシリコを成長させ、もしくは蒸着する 。 ４）ポリシリコンをパターン化し、エッチングして所望の陽極形状を形成する 。 ５）必要ならば、裏面に酸化物があればそれをエッチングする。 ６）陽極を保護し、かつポリシリコンから形成された放電が陰極に近接しない ように、（二酸化シリコンまたは窒化シリコンのような）誘電体の第２層１８ａ を蒸着する。 ７）放電を規定するためにサンプルをフォトレジストでマスキングする。 ８）誘電層とポリシリコン層をエッチングする。 ９）反応性イオン・エッチングを利用して基板をエッチングし、空洞１２を形 成する。１０）ｎ−形トープ剤を陰極へと拡散する。 １１）ｎ−形ドーピングされた第２層を取り出し、一連のチャネル、すなわち ピットをエッチングで形成する。 １２）空洞またはチャネルが放電と位置合わせされるように基板を互いに接合 する。基板の接合は溶融接合、Ａｌのような金属による共晶接合、または陽極接 合またはＡｕのような薄い金属層を使用して、接合される基板上の薄い二酸化シ リコン層への接合によって達成可能である。 １３）ポリシリコン層、ｎ−形層、およびｐ−形基板への、並びに接合された 基板の裏面上の接触穴２３ａを開放する。 １４）チップへの接触をオフにするのに金属化が必要ならばそれを行う。 上記の手順を採用することによってガス・リザーバ２１を放電素子に直接組入 れることができる。素子の寿命がガスの空乏によって限定されるような場合は、 上記の手順によって素子の寿命は大幅に延びる。 試作品のランプの性能 直径（口径）が２００−４００μｍ、深さが０．５−５ｍｍでネオンまたは窒 素である放電封入ガスを封入した円筒形の微小放電空洞を有するランプの試作品 を、室温で１０ｋＷ／ｃｍ３を超える比出力負荷で動作させた。その結果生じた 放電の方位は均一である。直径が４００μｍの素子の場合、それぞれ１ａｔｍと ６００トルを超えるＮ２とＮｅの圧力での安定動作が実証された。直径が４００ μｍの円筒形微小空洞を有するネオン放電での分光測定の結果、この素子は５０ トル以上の圧力で中空陰極放電素子の性状を有することが実証された。Ｎｅおよ びＮｅ＋状態、並びにＮ２（Ｃ−Ｂ）蛍光（３１６−４９２ｎｍ）からの発光に よって示されるように、この発明の超小形放電ランプはアドレス可能なアレイと しての製造に適した紫外線および可視光線の強力な光源である。 ここで図２を参照すると、長さが１．７５ｍｍの空洞を有し、放電封入ガスが ネオンである円筒の口径が４００μｍであるランプの電流−電圧特性が示されて いる。ランプは２０から１００トルの範囲のＮｅ圧力でテストされたが、より高 い圧力、および４ｍＡに及ぶ電流でのテストでも同様の結果が達成された。電流 および圧力範囲の全体に亘って、Ｉ−Ｖ特性は差分抵抗率を呈し、一方、放電の 比出力負荷は持続波（ＣＷ）ベースで約１から４ｋＷ／ｃｍ３である。持続波で の動作は一般的には達成がより困難であるので、波動的な動作でも同様の結果が 得られるであろう。２００トル以上の圧力、および４ｍＡ以上の電流では、直径 が２００μｍの超小形放電ランプの場合、出力負荷は１０ｋＷ／ｃｍ３を超えた 。ランプのバルクによる出力損のチェックとして、円筒形の空洞内に電気プロー ブを挿入し、プローブと背面接点との抵抗を測定した結果、１５Ω未満であった 。このように、現行の標準的な放電動作では、ランプのシリコン基板の出力損は 取るに足らないものである。４００μｍの素子を使用して、５００トルを超える 圧力で、Ｎｅ内での安定したグロー放電が確実に発生した。全ての放電の方位は 均一であり、ピーク光度は光軸で生じた。 超小形放電ランプの動作の特徴は、中空陰極動作から正常グロー放電への遷移 の高感度の診断基準として役立つ発光スペクトルにも認められる。ネオン放電に よって発生した全発光の９０％以上が赤の領域にあるものの、紫外線レンジには 電子エネルギ分布関数に最も敏感であり、従って中空陰極動作の最良の証拠であ る遷移が含まれている。 図３は、ａ）市販の陽光柱ｎｅ放電ペンライト、ｂ）直径が約２．５ｍｍの従 来形のＮｅ中空陰極放電スペクトロメータ・ランプ、およびｃ）５５トル（２２ トル−ｍｍ）で動作する、この発明に基づき構成された持続波を利用した超小形 放電ランプ（直径＝４００μｍ、長さＬ＝３．５ｍｍ、２３５Ｖ、３ｍＡ）によ って発生した３２０−３８０ｎｍの領域での紫外線スペクトルを比較したプロッ トである。スペクトルは、この発明の超小形放電ランプが、従来形の装置で中空 陰極動作が達成される圧力よりもほぼ１桁以上も高い２０トル−ｍｍを超える圧 力で、中空陰極放電としての性状を備えていることを示している。 特に、超小形放電スペクトルの全ての線はＮｅおよびＮｅ＋から発しているが 、Ｎｅ＋は従来形の中空陰極および本発明の超小形放電ランプのみに存在するも のである。最も強いＮｅ＋スペクトル（３３４．５５および３３２．３８ｎｍ） は Ｎｅ（２ｐ６）基底状態よりも約３０ｅＶ高い、イオンの２Ｐ０および２Ｆ０状 態を基点とした遷移から生じている。 図３に特性曲線が示されたこの発明の超小形放電素子は、約２００トル（８ト ル−ｃｍ）で陽光柱動作への遷移が見られた。これは図４に示されており、最も 強いＮｅ＋および図３のプロットｃ）からの他のイオン線（星印を付した線）は ガス圧の上昇につれて漸次弱くなっていることが認められる。２００トルでは、 スペクトルは図３のプロットａ）に特性曲線を示した従来形の陽光柱放電と実質 的に区別がつかなくなる。 この発明に基づく超小形放電素子の安定した超小形放電動作は、１ａｔｍを超 える圧力で純粋のＮ２である放電封入ガスでも達成された。Ｎ２および空気中で の放電によって紫外線および可視光線（３１６−４９２ｎｍ；−６≦Ｖ’−Ｖ” ≦１）で強いＮ２（Ｃ−Ｂ）発光を生じる。２４０−３００ｎｍの領域での原子 Ｓｉ発光の線は極めて弱いか、検知できず、これは希ガス・イオンによるＳｉの 低いスパッタ率の場合に予測された結果である。しかし、この発明のＮ２超小形 放電では、２８０ｎｍと３１１ｎｍの間で幾つかの強いＣｒとＮｉの遷移が認め られ、その最も強い光度は３０８−３１１ｎｍのスペクトル間隔にあり、これは Ｎｉに起因するものである。 誘電体が、標準形の直径１０ｃｍ、厚さ０．５ｍｍの集積されたｎ−形の集積 回路グレードの、抵抗率が約５Ω−ｃｍのシリコン・ウェーハ上で成長拡散され た厚さ約１．１μｍのＳｉＯ２薄膜からなる別個のテストが行われた。長さがウ ェーハの厚さで限定された、この発明に基づく安定放電が行われた。このことは 、この発明にもとづいて、市販のランプ製造のための上記に挙げた、および類似 した方法によって一括加工が可能であることを実証している。 この発明の超小形放電ランプを搭載した装置の例 当業者にはこの発明の多くの用途が明らかであろう。ランプを他のＩＣ素子に 組入れることが可能であることは、超小形放電ランプの光源、検出器、および関 連する電子素子のような素子群を単一の集積回路に集積できることを示唆してい る。ここでは、この発明の超小形放電ランプの用途の例として、二次元アドレス 付け不能アレイ、二次元アドレス可能アレイ、および放電素子を電子機器に集積 することが考慮されている。 二次元アドレス付け不能アレイは陽極のサイズを拡大し、同じ陰極に複数の同 一の穴を微細加工することによって製造できる。これは基本的に図５に示されて おり、大きい単一の陽極２４と、誘電体２６と、基板２８とが空洞３０のアレイ と共に微細加工されている。基板２８は好適にはシリコンであり、誘電体２６は 好適には二酸化シリコンであり、陽極は好適には別のシリコン薄層であるが、金 属薄層も適宜の口径の空洞へと加工できるので許容される。穴の適宜の相互間隔 を適宜に選択することによって（Ｈｇの場合は約２ｍｍまたはそれ未満）、１つ の素子からの光線が周囲の素子に漏出して、それらが同相で、もしくは可干渉性 に励振する。 図６は二次元アドレス可能アレイの基本構造を示しており、陽極層は、別個の 陽極３２が形成されていることで、別個の放電空洞が電気的に接続されないよう にパターン化されている。そのためには実際には、不都合な位置での放電を防止 するため、陽極層の上に付加的な層が必要である。スケールが小さいアレイの場 合は、個々のアレイの素子は陽極に直接アドレスすることによってアドレス可能 である。 スケールがより大きいアレイの場合は、個々の素子を電気的に絶縁し、かつア ドレス可能なアレイを製造するためにクロスバー方式のアドレスを採用してもよ い。図７に示すように、クロスバー方式はシリコン基板内にｎ−拡散領域を配し た陰極行３４と、ポリシリコン陽極を配した列３６とを形成することによって実 施可能である。図７に示すように、別個にアドレス可能なアレイには更に、個々 の空洞３０、または単一ピクセルを形成する空洞群をガラスのような光透過性材 料のキャップ３８で封止することが必要である。アドレス付け不能なアレイのよ うに、複数の空洞出力を組合わせる場合には常に、キャップ３８によって空洞の 上の小さい容量が別個の空洞と共通であるようにできる。個々の素子または素子 群をカバーするキャップ３８は、ガラスに所望のパターンをエッチングし、ガラ スのカバーを完成した基板の上側に接合、またはその他の方法で固着することに よって製造することができる。 電子機器に放電素子を組入れることは、放電電圧に耐えることができる絶縁接 合を行うことによって達成可能である。このようにして、放電の周囲の基板を電 子機器から電気的に絶縁できる。加えて、物理的、電気的な損傷、または下層の 回路との干渉を防止するため、ガスまたは放電に曝される回路のいずれかの部分 をカバーするための受動層が必要である。アドレス付け不能なアレイの周囲にト ランジスタ回路を集積することによって、各素子に送られる電流を正確に制御す ることにより、アレイの安定性を最適化することができる。アドレス可能なアレ イの周囲に回路を集積することによって、単一の割込み可能信号だけが各ピクセ ルに送られて、これをオンまたはオフにトグルする記憶特性も達成可能である。 この発明に基づく放電ランプを搭載して、前記のような装置、およびその他の 装置を形成できる。これまでの説明から、この発明の超小形放電ランプには多く の利点があることが専門家には明らかであろう。しかし、この発明の全範囲は説 明した実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲および法的にそれと 同等の内容を参照して判定されるべきものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フレーム，ジェームズ アメリカ合衆国，61820 イリノイ，シャ ンペン，イースト ヒーリィ 111 アパ ートメント 101 (72)発明者 ウィラー，デビッド，ジェイ. アメリカ合衆国，61801 イリノイ，アー バナ，ウエスト スプリングフィールド アベニュー 412 (72)発明者 エデン，ジェイ．，ゲイリー アメリカ合衆国，61853 イリノイ，マホ メット，ウエスト テイラー ドライブ 513

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放電ランプ（１０）であって、 一体構造の単体基板（１４）と、 前記基板上に形成された誘電体（１８）と、 前記誘電体によって前記基板から電気的に絶縁された陽極（２０）と、 前記誘電体および前記陽極を貫通し、かつ前記基板内に延在して、前記基板内 に中空陰極を形成する微小空洞（１２）と、 前記微小空洞内の放電封入ガス（１６）と、 から構成された放電ランプ。 ２．前記陰極は前記微小空洞を囲み，かつこれと接触する前記基板の半導体領域 内に形成された請求の範囲第１項に記載の放電ランプ。 ３．前記基板（１４）がシリコン・ウェーハである請求の範囲第２項に記載の放 電ランプ。 ４．前記微小空洞（１２）が約１から４００μｍの範囲の最大口径を有する請求 の範囲第２項に記載の放電ランプ。 ５．前記微小空洞（１２）が約１から４００μｍの範囲の最大口径を有する請求 の範囲第１項に記載の放電ランプ。 ６．前記微小空洞（１２）の深さ・口径比が約４：１以上である請求の範囲第５ 項に記載の放電ランプ。 ７．前記放電封入ガス（１６）はｐＤが２０トル／mmまたはそれ以上であり、中 空陰極放電を生ずる請求の範囲第６項に記載の放電ランプ。 ８．予備の放電封入ガス（１６）を収容するリザーバ（２１）が内部に形成され た第２基板（１７）を更に備え、該第２基板は前記リザーバが前記微小空洞（１ ２）と位置合わせされ、かつこれと気体接触するように、前記一体構造の単体基 板に接合される請求の範囲第２項に記載の放電ランプ。 ９．前記放電封入ガス（１６）が衝撃(ballistic)モードで放電を生ずる請求の 範囲第２項に記載の放電ランプ。 １０．前記放電封入ガス（１６）が共鳴放射を生ずる請求の範囲第２項に記載の 放電ランプ。 １１．放電ランプ（１０）を形成するプロセスであって、 半導体領域を含む基板（１４）を形成するステップと、 前記半導体領域上に誘電領域（１８）を形成するステップと、 前記誘電領域に前記半導体領域と絶縁した状態で陽極（２０）を形成するステ ップと、前記陽極と、前記誘電体とを貫いて、かつ前記半導体領域内に微小空洞 （１２）を微細加工して、前記半導体領域内に中空陰極を形成するステップと、 前記空洞に放電封入ガス（１６）を充填するステップと、 前記ランプを封止するステップと、 を含む方法。 １２．前記微細加工は超音波加工である、放電ランプを形成する請求の範囲第１ １項に記載のプロセス。 １３．前記微細加工によって最大口径が約１から４００μｍである微小空洞が形 成される、放電ランプを形成する請求の範囲第１１項に記載のプロセス。