JP2005044606A - 放電電極及び放電灯 - Google Patents

Abstract

【課題】室温における起動時から充分な導電性を得、効率の良い加熱・熱電子放出が可能で、且つ長寿命な熱陰極を提供する。
【解決手段】放電ガス１１を封入した封入管９、封入管９の内壁に塗布された蛍光膜１０、封入管９の両端に配置された一対の放電電極を備えている。放電電極は、絶縁性基板７ａ、絶縁性基板７ａの上の広禁制帯幅半導体層１ａを備える。広禁制帯幅半導体層１ａの表面には、コンタクト膜２３ａ，２４ａが形成されている。コンタクト膜２３ａ，２４ａを介して、ステムリード２１ａ，２２ａが広禁制帯幅半導体層１ａに接続される。ステムリード２１ａ，２２ａは、コンタクト膜２３ａ，２４ａと対向する絶縁性基板７ａの裏面にそれぞれ接触させ、絶縁性基板７ａと広禁制帯幅半導体層１ａからなる積層構造を両側からスプリング的に挟持し、保持している。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電電極及び放電灯に係り、特に、熱陰極として用いられる放電電極及びそれを用いた放電灯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蛍光灯等の放電灯に用いられる熱陰極（放電電極）は、放電ガス雰囲気中において、加熱及び負電圧印加により、熱陰極の表面から電子を放出させる。熱陰極には、従来より高融点金属の細線をコイル状にし、通電により加熱を行うフィラメントが広く用いられている。更に、電子放出は一般にこの陰極物質の仕事関数を小さくするほど促進されるため、フィラメント材料の表面に仕事関数の低減を図るために、各種金属やエミッタ物質と呼ばれる例えばバリウム（Ｂａ）系の物質がコート・含浸されるなどして用いられてきた。
【０００３】
例えば、もっとも広く一般的に用いられている放電灯である蛍光灯においては、タングステンフィラメントにバリウム系のエミッタ物質が塗布された熱陰極（放電電極）に通電することで、全体を加熱し、電子放出を開始させている。これらの熱陰極（放電電極）は低い陰極降下電圧で電子放出が可能であり、蛍光灯の高い発光効率を支えているが、一方、寿命が必ずしも長くないという課題があった。更に、器具の集積化、小型化需要に答えるためには、いっそうの低温化、低発熱が要求されており、これに答える高性能熱陰極の開発が求められている。
【０００４】
最近、平均粒径が０．２μｍ以下の粒子状のダイアモンドを熱陰極材表面、或いは表層に配置させた熱陰極（放電電極）を有する放電灯が提案されている（特許文献１参照。）。特に、低圧放電灯の点灯中において、放電電極の電子放出特性の劣化を抑制させ、長寿命化を図るために、粒子径０．０１μｍ〜１０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜１μｍのダイアモンド微粒子をタングステンコイルに付着又は含浸させ、このタングステンコイルを放電電極として、低圧放電灯に組み込んだ技術が提案されている（特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０―６９８６８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００―１０６１３０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１及び２に開示された技術では、通電電力はほとんどがタングステンコイルにおいて消費され、効率向上は必ずしも充分でなかった。
【０００８】
上記問題点を鑑み、本発明は、室温における起動時から充分な導電性を得、効率の良い加熱・熱電子放出が可能で、且つ長寿命な放電電極及びこれを用いた放電灯を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、放電ガス中に電子を放出する放電電極に関する。即ち、本発明の第１の特徴に係る放電電極
は、（イ）アクセプタ不純物元素とこのアクセプタ不純物元素の活性化エネルギよりも大きな活性化エネルギのドナー不純物元素がともに添加された、３００°Ｋにおける禁制帯幅が２．２ｅＶ以上の広禁制帯幅半導体からなるエミッタと、（ロ）このエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子とを備えることを要旨とする。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、放電ガスを封入した封入管中に設けられた少なくとも一対の放電電極を備えた放電灯に関する。即ち、本発明の第２の特徴に係る放電灯に用いられている放電電極のそれぞれが、（イ）アクセプタ不純物元素とこのアクセプタ不純物元素の活性化エネルギよりも大きな活性化エネルギのドナー不純物元素がともに添加された、３００°Ｋにおける禁制帯幅が２．２ｅＶ以上の広禁制帯幅半導体からなるエミッタと、（ロ）このエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子とを備えることを要旨とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１２】
又、以下に示す第１〜第３の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることが出来る。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る放電灯は、図１に示すように、放電ガス１１を封入した封入管９と、この封入管９の内壁の一部に、厚さ５０μｍ〜３００μｍで塗布された蛍光膜１０と、封入管９の両端においてその内部に配置された一対の放電電極を備えている。封入管９は、例えば、ソーダライムガラスや硼珪酸ガラス等のガラス管を用いれば良い。
【００１４】
一対の放電電極の内、図１の左側の放電電極は、支持体としての絶縁性基板７ａと、この絶縁性基板７ａの上に配置されたエミッタとしての広禁制帯幅半導体（ワイドギャップ半導体）層１ａを備えている。そして、広禁制帯幅半導体層（エミッタ）１ａの表面には、広禁制帯幅半導体層１ａに低いコンタクト抵抗でオーミックコンタクトするコンタクト膜２３ａ，２４ａが選択的に形成されている。コンタクト膜２３ａ，２４ａの直下の広禁制帯幅半導体層１ａの表面近傍の領域には、アモルファス（非晶質）コンタクト領域がそれぞれ形成されている。そして、このコンタクト膜２３ａ，２４ａを介して、ステムリード２１ａ，２２ａが電気的に広禁制帯幅半導体層１ａに接続されている。ステムリード２１ａ，２２ａのそれぞれの先端部はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の材料で、複数の鋭角（若しくはほぼ直角）の折れ曲がり部を有し、スプリング構造をなしているが、封入管９との封止部はコバールを用いている。そして、ステムリード２１ａ，２２ａは、コンタクト膜２３ａ，２４ａと対向する絶縁性基板７ａの裏面に折れ曲がり部の角部をそれぞれ接触させ、この絶縁性基板７ａと広禁制帯幅半導体層１ａからなる積層構造を両側からスプリング的に挟持し、保持している。ステムリード２１ａ，２２ａは、広禁制帯幅半導体層１ａからなるエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子として機能している。
【００１５】
同様に、一対の放電電極の内の他方、即ち、図１の右側の放電電極も、絶縁性基板７ｂと、この絶縁性基板７ｂの上に配置されたエミッタとしての広禁制帯幅半導体層１ｂを備えている。そして、広禁制帯幅半導体層（エミッタ）１ｂの表面には、広禁制帯幅半導体層１ｂにオーミックコンタクトするコンタクト膜２３ｂ，２４ｂが選択的に形成されている。コンタクト膜２３ｂ，２４ｂの直下の広禁制帯幅半導体層１ｂの表面近傍の領域には、アモルファス（非晶質）コンタクト領域がそれぞれ形成されている。そして、このコンタクト膜２３ｂ，２４ｂを介して、ステムリード２１ｂ，２２ｂが電気的に広禁制帯幅半導体層１ｂに接続されている。そして、ステムリード２１ｂ，２２ｂは、コンタクト膜２３ｂ，２４ｂと対向する絶縁性基板７ｂの裏面に折れ曲がり部の角部をそれぞれ接触させ、この絶縁性基板７ｂと広禁制帯幅半導体層１ｂからなる積層構造を両側からスプリング的に挟持し、保持している。ステムリード２１ｂ，２２ｂは、広禁制帯幅半導体層１ｂからなるエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子として機能している。一対の放電電極は、矩形板形状、皿形状、棒形状、ワイヤ形状等、様々な形状を採用することが出来、特に限定されない。
【００１６】
コンタクト膜２３ａ，２４ａ；２３ｂ，２４ｂとしては、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）等を採用可能である。或いは、これらの金属の内の複数の金属の組み合わせからなる合金膜、化合物膜、或いは多層膜（複合膜）等が可能であり、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ或いはＴｉ／Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の多層膜が採用できる。
【００１７】
なお、電極部のコンタクト抵抗が高くても良いような用途では、コンタクト膜２３ａ，２４ａ；２３ｂ，２４ｂやその直下のアモルファスコンタクト領域等は適宜省略しても良い。
【００１８】
第１の実施の形態に係る放電灯の放電電極に用いる広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂ内には、活性化エネルギが相対的に小さいアクセプタ不純物と、相対的に大きいドナー不純物がともにドーピングされている。更に、アクセプタ不純物の濃度Ｎ_Ａがドナー不純物の濃度Ｎ_Ｄよりも小となるようにドーピングされている。ここで、「広禁制帯幅半導体（ワイドギャップ半導体）」とは、半導体産業において早くから研究され、実用化進んだシリコン（３００°Ｋにおける禁制帯幅Ｅｇ＝約１．１ｅＶ）や砒化ガリウム（３００°Ｋにおける禁制帯幅Ｅｇ＝約１．４ｅＶ）等よりも禁制帯幅Ｅｇの広い半導体材料である。例えば、３００°Ｋにおける禁制帯幅Ｅｇ＝約２．２ｅＶのテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、禁制帯幅Ｅｇ＝約２．４ｅＶの硫化カドミウム（ＣｄＳ）、禁制帯幅Ｅｇ＝約２．７ｅＶのセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、禁制帯幅Ｅｇ＝約３．４ｅＶの窒化ガリウム（ＧａＮ）、禁制帯幅Ｅｇ＝約３．７ｅＶの硫化亜鉛（ＺｎＳ）、禁制帯幅Ｅｇ＝約５．５ｅＶのダイアモンド及び禁制帯幅Ｅｇ＝約５．９ｅＶの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が広禁制帯幅半導体の代表例である。又、炭化珪素（ＳｉＣ）も、広禁制帯幅半導体の一例である。ＳｉＣの３００°Ｋにおける禁制帯幅Ｅｇは、３Ｃ−ＳｉＣで２．２３ｅＶ、６Ｈ−ＳｉＣで２．９３ｅＶ、４Ｈ−ＳｉＣで３．２６ｅＶ程度の値が報告されているが、種々のＳｉＣを使用可能である。又上記の種々の広禁制帯幅半導体の２種以上の組み合わせからなる混晶でも構わない。これらの広禁制帯幅半導体及びその混晶中で、特に、３００°Ｋにおける禁制帯幅が３．４ｅＶ以上である広禁制帯幅半導体及びその混晶が、負の電子親和力が大きく、電子放出源（エミッタ）として好ましい。
【００１９】
ダイアモンドの場合を例に示せば、アクセプタ不純物としての硼素（Ｂ）の濃度１０^１５ｃｍ^−３〜１０^１９ｃｍ^−３程度、ドナー不純物としての燐（Ｐ）の濃度１０^１６ｃｍ^−３〜１０^２１ｃｍ^−３程度の範囲において、アクセプタ不純物の濃度Ｎ_Ａがドナー不純物の濃度Ｎ_Ｄよりも小となるようにドーピングを選定すれば良い。
【００２０】
第１の実施の形態に係る放電電極に用いる支持体としての絶縁性基板７ａ，７ｂとしては、石英ガラス、若しくはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックが使用できる。
【００２１】
封入管９の内壁の一部に塗布された蛍光膜１０は、放電により発生する紫外線の照射を受けて可視光線を放出させる。封入管９の内部には、放電ガス１１の他に、水銀放電を発生させるための必要一定量の水銀（水銀粒）が封入されている。点燈を助けるための放電ガス１１にはアルゴン（Ａｒ）ガス、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスが使用され、封入管９の内部の圧力は、例えば、５．３ｋＰａ〜１３ｋＰａ程度に設定されている。更に、電子の放出効率を上げるために、数％の水素ガス（Ｈ_２）を希ガスに混合することが好ましい。
【００２２】
上述したように、第１の実施の形態に係る放電灯の放電電極は、加熱により、電子を放出させるエミッタとして、活性化エネルギが相対的に小さいアクセプタ不純物と、相対的に大きいドナー不純物がともに、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂドーピングされている。図２及び図３においては、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂをダイアモンドとし、活性化エネルギが相対的に小さいアクセプタ不純物２として硼素（Ｂ）、活性化エネルギが相対的に大きいドナー不純物４ｉ，４ａとして、燐（Ｐ）を用いた場合を示している。図２（ｂ）に示すように、アクセプタ不純物２のエネルギレベルＥａから価電子帯端のエネルギＥｖの差で示されるアクセプタ不純物２の活性化エネルギ（０．２〜０．３ｅＶ）は、伝導帯端のエネルギＥｃからドナー不純物４ｉのエネルギレベルＥｄの差で示されるドナー不純物４ｉの活性化エネルギ（約０．５ｅＶ）よりも小さい。そして、常温（３００°Ｋ）において、フェルミレベルＥｆは、アクセプタ不純物２のエネルギレベルＥａと価電子帯端のエネルギＥｖの間に存在する。このため、図２に示すように、常温（３００°Ｋ）でも、価電子帯端の近傍の電子は、アクセプタ不純物２にトラップされ、価電子帯端の近傍に正孔（ホール）３を生成し、伝導性が得られる。即ち、常温での通電開始時には、図２（ａ）に示すように、アクセプタ不純物２からの正孔（ホール）３による伝導が得られる。このとき、活性化エネルギが大きいドナーからは、電子の伝導帯への供給はなく、ドナー不純物４ｉは未活性状態である。正孔（ホール）３の生成により、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂ自体に電気が流れ、通電を行うことにより、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂ自体が効率よく加熱される。
【００２３】
正孔（ホール）３の伝導により、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂ自体が７００°Ｋ〜８００°Ｋ程度まで加熱された状態の広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂのエネルギバンド図が図３（ｂ）である。７００°Ｋ〜８００°Ｋ程度の昇温状態では、フェルミレベルＥｆは、価電子帯端のエネルギＥｖとドナー不純物（活性化状態）４ａのエネルギレベルＥｄの間に存在する。
【００２４】
このエネルギ状態では、アクセプタ不純物２より高濃度にドーピングしておいたドナー不純物（未活性状態）４ｉが加熱によって、ドナー不純物（活性化状態）４ａに活性化され、ドナー不純物（活性化状態）４ａから伝導帯へ電子が供給される。即ち、７００°Ｋ〜８００°Ｋ程度まで加熱された状態の広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂには、電子放出に必要な電子６が多数キャリアとして生成される。
【００２５】
図４には、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂの比抵抗が温度上昇とともに、ｐ型伝導領域からｎ型伝導領域に変化することが示されている。
【００２６】
この様に、第１の実施の形態に係る放電電極においては、始動時点からの通電加熱、熱電子放出の一連の過程が広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂだけで可能になり、電力を最小限にし、簡単な構成で高効率・低温熱電子放出陰極を実現することが出来る。即ち、第１の実施の形態に係る放電電極によれば、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂのドーピングの効果により、通電開始から電流はすべて広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂ内を流れ、効率よく昇温された状態で、電子放出に適したｎ型即ち電子伝導が得られる。
【００２７】
なお、図１では、絶縁性基板７ａ，７ｂの裏面がそれぞれ露出された構造となっているが、絶縁性基板７ａ，７ｂの裏面を広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂでそれぞれ覆う形態でも良い。
【００２８】
又、広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂが、絶縁性基板７ａ，７ｂの表面の全面を均一に覆う必要もなく、ストライプ形状やメアンダーラインのような蛇行形状等で配線パターンを構成するように選択的に、絶縁性基板７ａ，７ｂの表面の一部に配置されても良い。
【００２９】
第１の実施の形態に係る放電電極は、通電加熱用フィラメントを設ける必要がないため、構造が簡単であり、以下に説明するような簡単な製造方法で、大量生産が可能であるので、製造コストの低減が可能である。
【００３０】
図５〜図１０を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法を説明する。
【００３１】
（イ）先ず、絶縁性基板７としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を用意し、この絶縁性基板７の主表面にＣＶＤ法によって図５に示すように、広禁制帯幅半導体層１をエピタキシャル成長する。具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３基板７上にダイアモンド単結晶層１をエピタキシャル成長する。ＣＶＤ法は、例えば４ｋＰａの減圧下で、２．４５ＧＨｚの高周波放電を用いたプラズマＣＶＤが採用可能である。この際、基板温度８５０℃において、ソースガスとしてメタン（ＣＨ_４）ガスを、キャリアガスとしての水素（Ｈ_２）ガスと共に供給すれば良い。メタン（ＣＨ_４）ガス：水素（Ｈ_２）ガスの流量比１：９９程度にすれば、０．５μｍ／時間〜１μｍ／時間程度の成長速度で、エピタキシャル成長層１が得られるが、この際、Ｈ_２ガス希釈されたジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）とフォスフィン（ＰＨ_３）をマスフローコントローラ等で制御して、同時に流し、広禁制帯幅半導体層１中に、活性化エネルギが相対的に小さいアクセプタ不純物として硼素（Ｂ）を、活性化エネルギが相対的に大きいドナー不純物として燐（Ｐ）を同時にドーピングする。広禁制帯幅半導体層１は、例えば、１〜１００μｍ程度堆積する。ｎ型ドーパントガスとしては、フォスフィンの代わりにアルシン（ＡｓＨ_３）、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、アンモニア（ＮＨ_３）等が使用可能である。
【００３２】
（ロ）次に、リフトオフ法等により、チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の複合層等をパターニングして、イオン注入マスクを形成する。このイオン注入マスクを用いて、広禁制帯幅半導体層１の表面に、加速エネルギＥ_ＡＣＣ＝４０ｋｅＶ、ドーズ量Φ＝１０^１６ｃｍ^−２でＡｒイオンを選択的に注入する。このとき、絶縁性基板７及び広禁制帯幅半導体層１の温度は常温（２５℃）に維持する。その後、イオン注入マスクを除去後、４００℃で熱処理し、アモルファスコンタクト領域を形成する。なお、上記ではＡｒをイオン注入する場合で説明したが、Ａｒ^＋のみに限定されるものではない。クリプトン（Ｋｒ^＋）、キセノン（Ｘｅ^＋）等の希ガスの元素イオン、或いはＴｉ^＋、Ｔａ^＋、Ｗ^＋、Ｓｉ^＋、Ｎ^＋、Ｂ^＋等の炭化物形成元素イオン等、種々のイオンが採用可能である。この内、Ｎ^＋、Ｂ^＋はダイアモンドの格子位置に入れば、それぞれドナー、アクセプタとして働きうるが、ドーズ量Φ＝１０^１５ｃｍ^−２から１０^１６ｃｍ^−２の高注入濃度レベルでは、注入されたＮ^＋、Ｂ^＋はダイアモンド層の表面で、炭化物（化合物）ＮＣ_１−Ｘ，ＢＣ_１−Ｘを形成していると捉えた方が良いからである。
【００３３】
（ハ）そして、リフトオフ法を用いて、図６に示すように、アモルファスコンタクト領域の直上の位置にマスク合わせをして、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を連続的に真空蒸着（又はスパッタリング）して、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層膜からなるコンタクト膜２３ａ，２４ａ；２３ｂ，２４ｂ；２４ｃ，・・・・・を選択的に形成する。コンタクト膜２３ａ，２４ａ；２３ｂ，２４ｂ；２４ｃ，・・・・・のパターニング後、７００℃〜８００℃の高温で熱処理（シンタリング）することにより、広禁制帯幅半導体層１に対する実用的なコンタクト抵抗値ρ_ｃを得る。
【００３４】
（ニ）次に、ＣＶＤにより、広禁制帯幅半導体層１の上部の全面に、厚さ５００ｎｍから１μｍの酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を堆積する。更に、この酸化膜の上部にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ工程を用いて、フォトレジスト膜をパターニングする。そして、パターニングされたフォトレジスト膜をエッチングマスクとして、酸化膜をパターニングする。酸化膜をパターニング後、フォトレジスト膜を除去し、パターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして、広禁制帯幅半導体層１を、酸素ガス（Ｏ_２ガス）を用いたＲＩＥで、コンタクト膜２４ｃと２３ａの間、コンタクト膜２４ａと２３ｂの間、・・・・を絶縁性基板７が露出するまでパターニングする。コンタクト膜２４ｃと２３ａの間、コンタクト膜２４ａと２３ｂの間、・・・・がダイシングラインＤ_ｊ−１，Ｄ_ｊ，Ｄ_ｊ＋１，・・・・・になる。この結果、ダイシングラインＤ_ｊ−１，Ｄ_ｊ，Ｄ_ｊ＋１，・・・・・の位置にダイシング溝が形成され、このダイシング溝に沿って、ダイアモンドブレード等で切断すれば、所望の大きさの放電電極が、複数個切り出される。
【００３５】
（ホ）次に、ガラス玉（ビーズ）６２ａに中央部近傍を固定されたステムリード２１ａ，２２ａを用意する。そして、ステムリード２１ａの折れ曲がり部の角部をコンタクト膜２３ａと対向する絶縁性基板７ａの裏面に接触させ、この電極用積層体（７ａ，１ａ）を両側からスプリング的に挟持する。同様に、ステムリード２２ａの折れ曲がり部の角部をコンタクト膜２４ａと対向する絶縁性基板７ａの裏面に接触させ、この電極用積層体（７ａ，１ａ）を両側からスプリング的に挟持する。図示を省略しているが、ガラス玉（ビーズ）６２ｂに中央部近傍を固定されたステムリード２１ｂ，２２ｂを用意し、ステムリード２１ｂの折れ曲がり部の角部をコンタクト膜２３ｂと対向する絶縁性基板７ｂの裏面に接触させ、電極用積層体（７ｂ，１ｂ）を両側からスプリング的に挟持し、ステムリード２２ｂの折れ曲がり部の角部をコンタクト膜２４ｂと対向する絶縁性基板７ｂの裏面に接触させ、電極用積層体（７ｂ，１ｂ）を両側からスプリング的に挟持する。この様にして、ガラス玉６２ａ、ステムリード２１ａ，２２ａ、及び電極用積層体（７ａ，１ａ）を有する一方の放電電極と、ガラス玉６２ｂ、ステムリード２１ｂ，２２ｂ、及び電極用積層体（７ｂ，１ｂ）を有する他方の放電電極との一対の放電電極を作製する。なお、ガラス玉６２ａ，６２ｂの代わりに、喇叭形状等のガラス製ステムでも良い。
（ヘ）次に、図８のように一部に絞り部６６Ａが形成され、一部領域に蛍光膜１０が塗布された円筒状ガラス管（封入管）９を用意し、一対の放電電極の一方を用い、絞り部６６Ａにガラス玉６２ａを載せてステムリード２１ａ，２２ａと電極用積層体（７ａ，１ａ）をガラス管９内の所定位置に設定し、図９のように支持具７０に保持した状態で、絞り部６６Ａとガラス玉６２ａ付近をガスバーナ７１等にて加熱し、ガラス管９とガラス玉６２ａを溶融させて両者を溶着して、ガラス管９の一端を封止する溶着部６７Ａを形成する。そして、図１０のように溶着部６７Ａから離れたガラス管９の一部に形成したもう一つの絞り部６６Ｂに他方の放電電極を用い、同様に、絞り部６６Ｂにガラス玉６２ｂを載せてステムリード２１ｂ，２２ｂと電極用積層体（７ｂ，１ｂ）をガラス管９内の所定の位置に設定し、ガラス管９の絞り部６６Ｂ側の開口端部６８を吸排気装置の吸排気ヘッド８６に接続する。吸排気装置は、吸排気ヘッド８６に対して、ガラス管９内の空気を吸引してガラス管９内を真空にする真空ポンプ８１と、ガラス管９内にネオン、アルゴン等所定の放電ガス１１を注入するためのガス供給源８２と、吸気、排気を切換える切換えバルブ８３と、排気電磁弁８４と、吸気電磁弁８５とを有する。
（ト）そして、一対の放電電極を具備したガラス管９を吸排気ヘッド８６に接続した状態において、排気電磁弁８４と切換バルブ８３にて排気通路を開いて真空ポンプ８１を稼動し、ガラス管９内の空気を排気し、真空にする。その後、切換バルブ８３と吸気電磁弁８５を通ってガス供給源８２からアルゴン等の所定の放電ガス１１とともに少量の水銀をガラス管９内に封入する。更に、その後、絞り部６６Ｂ付近とガラス玉６２ｂをガスバーナ７１等にて加熱し、ガラス管９とガラス玉６２ｂとを溶融させて両者を溶着して、放電灯のもう一方の溶着部６７Ｂを形成する。この後に、ガラス管の溶着部の外側の不要部分を除去することによって、図１に示す放電灯が得られる。
本発明の第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法によれば、通電加熱用フィラメントを設ける必要がないため、大きな絶縁性基板７上にまとめて成膜した広禁制帯幅半導体層１をダイシングラインＤ_ｊ−１，Ｄ_ｊ，Ｄ_ｊ＋１，・・・・・に沿ってダイシングして、両端にステムリード２１ａ，２２ａ又はステムリード２１ｂ，２２ｂをスプリング的に挟持するだけで、放電電極を製造することが出来るので、大量生産が可能であり、製造コストの低減が可能である。
【００３６】
なお、上記に述べた放電灯の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。例えば、上記実施形態においては、大きな絶縁性基板７に広禁制帯幅半導体層１をまとめて形成し、ダイシングラインＤ_ｊ−１，Ｄ_ｊ，Ｄ_ｊ＋１，・・・・・に沿って分割したが、最初からチップ状に分割された絶縁性基板７ａ，７ｂ，・・・・・に、個別に広禁制帯幅半導体層１ａ，１ｂ，・・・・・をそれぞれ形成しても良い。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図１１に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る放電灯の放電電極は、エミッタとしての広禁制帯幅半導体ロッド１２と、この広禁制帯幅半導体ロッド（エミッタ）１２の両端部近傍の外周に選択的に形成された、コンタクト膜３１ａ，３１ｂと、コンタクト膜３１ａを介して、広禁制帯幅半導体ロッド１２の左側端部に巻き付けられたリード線１３ａと、コンタクト膜３１ｂを介して、広禁制帯幅半導体ロッド１２の右側端部に巻き付けられたリード線１３ｂとを備えている。広禁制帯幅半導体ロッド１２は、１辺が５０μｍ〜３００μｍの角柱形状若しくは、直径が５０μｍ〜３００μｍの円柱形状に選べば良い。角柱形状は、断面が正方形である必要はなく、断面形状は、長方形や５角形以上の多角形の断面でも構わない。リード線１３ａ，１３ｂには、例えば鉄とニッケルの合金（Ｆｅ−Ｎｉ）からなる芯線に銅（Ｃｕ）を被覆した導入線（ジュメット線）等が使用可能である。
【００３８】
図示を省略しているが、それぞれのコンタクト膜３１ａ，３１ｂの直下の広禁制帯幅半導体ロッド１２の表面近傍の領域には、アモルファス（非晶質）コンタクト領域が形成されている。このため、コンタクト膜３１ａ，３１ｂは、それぞれ、広禁制帯幅半導体ロッド１２の両端部近傍の外周に、低いコンタクト抵抗でオーミックコンタクトしている。コンタクト膜３１ａ，３１ｂとしては、第１の実施の形態に係る放電灯で説明したＮｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｕ等、或いは、これらの金属の内の複数の金属の組み合わせ、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ或いはＴｉ／Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の多層膜が採用できる。但し、電極部のコンタクト抵抗が高くても良いような用途では、コンタクト膜３１ａ，３１ｂやアモルファスコンタクト領域等は適宜省略しても良い。
【００３９】
そして、電気的に広禁制帯幅半導体ロッド１２の左側端部に接続されたリード線１３ａを懸架線１４ａで支持し、電気的に広禁制帯幅半導体ロッド１２の右側端部に接続されたリード線１３ｂを懸架線１４ｂで支持している。更に、懸架線１４ａ，１４ｂは、ステム１６に固定されたステムピン１５ａ、１５ｂにそれぞれ溶接され、これにより、広禁制帯幅半導体ロッド１２がステム１６に固定され、放電電極を構成している。ここで、リード線１３ａ、懸架線１４ａ、及びステムピン１５ａが広禁制帯幅半導体ロッド１２からなるエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子の一方として機能している。そして、リード線１３ｂ、懸架線１４ｂ、及びステムピン１５ｂが広禁制帯幅半導体ロッド１２からなるエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子の他方として機能している。
【００４０】
第１の実施の形態に係る放電灯の放電電極と同様に、広禁制帯幅半導体ロッド１２内には、活性化エネルギが相対的に小さいアクセプタ不純物と、相対的に大きいドナー不純物がともにドーピングされ、アクセプタ不純物の濃度Ｎ_Ａがドナー不純物の濃度Ｎ_Ｄよりも小となるようにドーピングされている。
【００４１】
図１１に示す第２の実施の形態に係る放電灯は、図１２に示すように、放電ガス１１を封入した封入管９と、この封入管９の内壁の一部に塗布された蛍光膜１０とを備え、一対の放電電極がそれぞれ、封入管９の両端に配置される。但し、図１２では対向する他方の放電電極の図示を省略している。封入管９の内部には、放電ガス１１の他に、水銀放電を発生させるための必要一定量の水銀（水銀粒）が封入されていることは、第１の実施の形態に係る放電灯と同様である。
【００４２】
第２の実施の形態に係る放電灯の放電電極においては、広禁制帯幅半導体ロッド１２自体が通電対象物として働くので、リード線１３ａ，１３ｂは両端部のみに巻き付けてあれば良く、広禁制帯幅半導体ロッド１２の全面にリード線１３ａ，１３ｂを巻き付ける必要はない。
【００４３】
（第３の実施の形態）
図１３に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る放電灯の放電電極は、支持体としての円柱（若しくは角柱）形状の絶縁芯材１８と、この絶縁芯材１８の外周の全面に被覆されて形成されたエミッタとしての広禁制帯幅半導体層１７とで、円柱（若しくは角柱）形状の電極用積層体（１７，１８）を構成している。この広禁制帯幅半導体層（エミッタ）１７の両端部近傍の外周に選択的に形成された、キャップ形状の電極層１９ａ，１９ｂと、電極層１９ａに溶接された電極ピン２０ａと、電極層１９ｂに溶接された電極ピン２０ｂとを備えている。図示を省略しているが、それぞれのキャップ形状の電極層１９ａ，１９ｂの内壁部直下の広禁制帯幅半導体層１７の外周表面近傍の領域には、アモルファスコンタクト領域が形成されている。このため、電極層１９ａ，１９ｂは、それぞれ、広禁制帯幅半導体層１７の両端部近傍の外周に、低いコンタクト抵抗でオーミックコンタクトしている。電極層１９ａ，１９ｂとしては、第１及び第２の実施の形態に係る放電灯で説明したＮｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｕ等、或いは、これらの金属の内の複数の金属の組み合わせ、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ或いはＴｉ／Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の多層膜が採用できる。
【００４４】
そして、円柱（若しくは角柱）形状の電極用積層体（１７，１８）の左側端部に接続された電極ピン２０ａを懸架線１４ａで支持し、電極用積層体（１７，１８）の右側端部に接続された電極ピン２０ｂを懸架線１４ｂで支持している。更に、懸架線１４ａ，１４ｂは、ステム１６に固定されたステムピン１５ａ、１５ｂにそれぞれ溶接され、これにより、電極用積層体（１７，１８）がステム１６に固定され、放電電極を構成している。
【００４５】
ここで、電極層１９ａ、電極ピン２０ａ、懸架線１４ａ、及びステムピン１５ａが広禁制帯幅半導体層１７からなるエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子の一方として機能している。又、電極層１９ｂ、電極ピン２０ｂ，懸架線１４ｂ、及びステムピン１５ｂが、広禁制帯幅半導体層１７からなるエミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子の他方として機能している。
【００４６】
第１及び第２の実施の形態に係る放電灯の放電電極と同様に、広禁制帯幅半導体層１７内には、活性化エネルギが相対的に小さいアクセプタ不純物と、相対的に大きいドナー不純物がともにドーピングされ、アクセプタ不純物の濃度Ｎ_Ａがドナー不純物の濃度Ｎ_Ｄよりも小となるようにドーピングされている。
【００４７】
図１３に示すように、第３の実施の形態に係る放電灯は、放電ガス１１を封入した封入管９と、この封入管９の内壁の一部に塗布された蛍光膜１０と、封入管９の両端に一対配置され放電電極とを備える点において、第１及び第２の実施の形態に係る放電灯と同様である。但し、図１３では対向する他方の放電電極の図示を省略している。封入管９の内部には、放電ガス１１の他に、水銀放電を発生させるための必要一定量の水銀（水銀粒）が封入されていることは、第１及び第２の実施の形態に係る放電灯と同様である。
【００４８】
第３の実施の形態に係る放電電極は、絶縁芯材１８に広禁制帯幅半導体層１７をＣＶＤ法等により、堆積（コーティング）し、これを適宜必要な長さに分割すれば、容易に製造できる。勿論、絶縁芯材１８は最初から使用状態の長さに加工してから広禁制帯幅半導体層１７をＣＶＤ法等により、堆積しても良い。
【００４９】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５０】
既に述べた第１〜第３の実施の形態の説明においては、熱陰極について主に述べた。しかし、放電電極からの電子放出は、純粋な熱電子放出に限定されるものではなく、電界による効果を伴うものであっても良い。
【００５１】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、室温における起動時から充分な導電性を得、効率の良い加熱・熱電子放出が可能で、且つ長寿命な放電電極及びこれを用いた放電灯を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る放電灯の概略を説明する模式的断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る放電灯の放電電極に用いられている広禁制帯幅半導体層からなるエミッタの室温における導電状態を説明する図である。
【図３】第１の実施の形態に係る放電灯の放電電極に用いられている広禁制帯幅半導体層からなるエミッタの昇温状態における導電状態を説明する図である。
【図４】第１の実施の形態に係る放電灯の放電電極に用いられている広禁制帯幅半導体層からなるエミッタの導電状態の温度変化を説明する図である。
【図５】第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図６】第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図７】第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法を説明する工程断面図である（その３）。
【図８】第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法を説明する工程断面図である（その４）。
【図９】第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法を説明する工程断面図である（その５）。
【図１０】第１の実施の形態に係る放電灯の製造方法を説明する工程断面図である（その６）。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る放電灯の放電電極の概略を説明する模式的断面図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る放電灯の概略を説明する模式的断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る放電灯の概略を説明する模式的断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…広禁制帯幅半導体層
２…アクセプタ不純物
３…正孔（ホール）
４ｉ，４ａ…ドナー不純物
６…電子
７，７ａ，７ｂ…絶縁性基板
９…封入管（ガラス管）
１０…蛍光膜
１１…放電ガス
１２…広禁制帯幅半導体ロッド
１３ａ，１３ｂ…リード線
１４ａ，１４ｂ…懸架線
１５ａ，１５ｂ…ステムピン
１６…ステム
１７…広禁制帯幅半導体層
１８…絶縁芯材
１９ａ，１９ｂ…電極層
２０ａ，２０ｂ…電極ピン
２１ａ，２２ａ…ステムリード
２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，３１ａ，３１ｂ…コンタクト膜
６２ａ，６２ｂ…ガラス玉
６６Ａ，６６Ｂ…絞り部
６７Ａ，６７Ｂ…溶着部
６８…開口端部
７０…支持具
７１…ガスバーナ
８１…真空ポンプ
８２…ガス供給源
８３…切換バルブ
８４…排気電磁弁
８５…吸気電磁弁
８６…吸排気ヘッド

Claims (8)

1. 放電ガス中に電子を放出する放電電極であって、
   アクセプタ不純物元素と該アクセプタ不純物元素の活性化エネルギよりも大きな活性化エネルギのドナー不純物元素がともに添加された、３００°Ｋにおける禁制帯幅が２．２ｅＶ以上の広禁制帯幅半導体からなるエミッタと、
   該エミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子
   とを備えることを特徴とする放電電極。
2. 前記ドナー不純物元素の濃度は、前記アクセプタ不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の放電電極。
3. 前記広禁制帯幅半導体の３００°Ｋにおける禁制帯幅が３．４ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放電電極。
4. 前記広禁制帯幅半導体からなるエミッタは、絶縁性の支持体の表面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電電極。
5. 放電ガスを封入した封入管中に設けられた少なくとも一対の放電電極を備えた放電灯であって、前記放電電極のそれぞれが、
   アクセプタ不純物元素と該アクセプタ不純物元素の活性化エネルギよりも大きな活性化エネルギのドナー不純物元素がともに添加された、３００°Ｋにおける禁制帯幅が２．２ｅＶ以上の広禁制帯幅半導体からなるエミッタと、
   該エミッタに電流を供給するための少なくとも一対の電流供給端子
   とを備えることを特徴とする放電灯。
6. 前記ドナー不純物元素の濃度は、前記アクセプタ不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の放電灯。
7. 前記広禁制帯幅半導体の３００°Ｋにおける禁制帯幅が３．４ｅＶ以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載の放電灯。
8. 前記広禁制帯幅半導体からなるエミッタは、絶縁性の支持体の表面に形成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の放電灯。

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