JP2015170457A - 深紫外発光デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積化することが可能な深紫外発光デバイスを提供する。
【解決手段】深紫外発光デバイス１００は、互いに対向して配置された第１の基板２０および第２の基板１０と、放電空間８０を規定するスペーサ９０と、第１の基板２０と第２の基板１０とをスペーサ９０を介して封着するシール材９１と、放電空間８０内に封入されたガスと、電圧の印加に応じて放電空間８０内にガスのプラズマを発生させる複数の放電電極３０と、プラズマによって励起されて深紫外線を発する発光層とを備える。
【選択図】図１

Description

本願は、プラズマを利用して深紫外線を発光する深紫外発光デバイスに関する。

深紫外発光デバイスは、照明、殺菌、医療、浄水、計測等の様々な分野において利用されている。深紫外線（ＤＵＶ）とは、主に２００ｎｍ〜３５０ｎｍの波長帯域にある紫外線を一般的に意味する。

近年、深紫外線を発する光源として、窒化物半導体から形成された発光層を備えた深紫外発光素子（半導体発光素子）が提案されている。例えば、特許文献１は、プラズマ中の電子によってＡｌＧａＮから形成された発光層を励起して、深紫外線を発する深紫外発光素子を開示している。

また、水の殺菌装置などの光源の実現には、大面積を有し、高出力動作が可能である深紫外発光デバイスが求められており、このような深紫外発光デバイスの研究が盛んに行われている。例えば、非特許文献１は、１ｍ×５ｍサイズのフラットパネル型であって、平均で１００ｍＷ以上の出力動作が可能である深紫外発光装置を開示している。

特開２０１１−１２４０００号公報

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １０２， ０４１１１４ （２０１３）

上述した従来の技術では、深紫外発光デバイスの大面積化が求められていた。

本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、大面積化することが可能な深紫外発光デバイスを提供する。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間の放電空間を規定するスペーサと、前記第１の基板と前記第２の基板とを前記スペーサを介して封着するシール材であって、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記スペーサの熱膨張率との差の絶対値は、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記シール材の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい、シール材と、前記放電空間内に封入されたガスと、電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する発光層とを備えた、深紫外発光デバイスを含む。

また、本発明の一態様は、深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板とを封着するシール材と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成された放電空間内に封入されたガスと、電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する酸化マグネシウム層とを備えた、深紫外発光デバイスを含む。

本発明の一態様によれば、大面積化することが可能な深紫外発光デバイスを実現することが可能になる。

実施形態１による深紫外発光デバイス１００の模式図である。 実施形態１による深紫外発光デバイス１００の他の構成を示す模式図である。 深紫外発光デバイス１００の製造工程の一例を示す製造フロー図である。 実施形態２による深紫外発光デバイス２００の模式図である。 実施形態２による深紫外発光デバイス２００の他の構成を示す模式図である。 ＭｇＯ層６１上に配置されたビーズスペーサ９２の模式図である。 深紫外発光デバイス２００の製造工程の一例を示す製造フロー図である。 実施形態３による深紫外発光デバイス３００の模式図である。

本願発明者は、プラズマを利用した従来の深紫外発光デバイスの構造を詳細に検討し、以下に示すような問題を見出した。

特許文献１に開示された深紫外発光素子は、一方には窒化物半導体から形成された発光層が配置され、他方にはプラズマを生成する電極が形成された２枚のサファイア基板を、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）の技術を用いて封着することによって得られる。近年、半導体製造に用いられる基板のサイズが拡大し、大きいものでは、６インチの大きさを有する基板（ウエハ）が用いられている。深紫外発光素子の発光面積は、基板の面積と同程度であるため、一般に利用されている基板を用いる限りにおいて、６インチ以上の大型の発光面積を有する深紫外発光素子は実現されない。

一方で、例えば、紫外線を透過する材料である石英から形成された大型の２枚の基板（石英基板）を用いて、６インチ程度のサイズを有し、深紫外線の発光層を支持する複数の基板を一方の石英基板上に配置して、２枚の石英基板をＰＤＰの技術を用いて貼り合せる。これによって、大面積を有する深紫外発光デバイスを実現し得る。しかしながら、このような製造方法では、大面積化は実現されるものの、石英基板と、封着用のシール材（以降、「フリット」と称する。）との熱膨張率の差による応力によって、石英基板にクラックが生じて製造不良が発生してしまう可能性が高くなる。当然のことながら、クラックが発生すれば、深紫外発光デバイス内に封入されたガスのリークが生じる。

ＰＤＰのガラスを封着するときに一般的に用いられるＰＤＰフリットの熱膨張率は、７０．９×１０‐⁷（１／Ｋ）である。これに対し、石英基板を形成する石英の熱膨張率は、５．０×１０‐⁷（１／Ｋ）である。このように、石英の熱膨張率よりもＰＤＰフリットの熱膨張率が高いので、石英基板には応力が働いてクラックが生じてしまう。

本願発明者は、石英基板を貼り合せるためのフリットとして、市販の石英用フリットを用いて試作を行った。試作に用いた石英用フリットの熱膨張率は、約３８．４×１０‐⁷（１／Ｋ）である。しかしながら、石英用フリットの熱膨張率は、石英の熱膨張率よりも依然として高いので、ＰＤＰフリットに代えて石英用フリットを用いても、クラックの発生を抑制することは依然として困難である。フリットの熱膨張率と石英の熱膨張率とが同程度であるか、またはフリットの熱膨張率が石英の熱膨張率よりも低ければ、クラックの発生を抑制できる。しかしながら、このような関係を満足するフリットは、未だ発見されていない。

また、窒化物半導体である発光層を有する深紫外発光デバイスを製造する工程は、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて発光層を形成する工程を含む。このような、結晶成長法を利用した典型的な半導体製造工程を経ると、生産性の低下に繋がる可能性がある。また、サファイア基板自体の価格も高騰であるため、製品コストが高くなってしまう。

また、上述したような、発光層を有する複数のサファイア基板が大型の石英基板上に配置された深紫外発光デバイスを製造するためには、サファイア基板を配置する位置を決める工程や、それらを並べて固定する工程がさらに必要となり、製造プロセスがより複雑になる。また、プラズマを利用した深紫外発光デバイスでは、プラズマによって発光層を励起しなければならない。このため、深紫外発光デバイス全体の駆動においては、個々の発光層ごとにプラズマ励起を制御しなければならず、その制御方法および構造がより複雑になってしまう。

このような従来技術の課題に鑑み、本願発明者は、新規な構造を備えた深紫外発光デバイスに想到した。本発明の一態様の概要は以下のとおりである。

本発明の一態様である深紫外発光デバイスは、深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間の放電空間を規定するスペーサと、前記第１の基板と前記第２の基板とを前記スペーサを介して封着するシール材であって、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記スペーサの熱膨張率との差の絶対値は、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記シール材の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい、シール材と、前記放電空間内に封入されたガスと、電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する発光層とを備える。

ある態様において、前記第１の基板、前記第２の基板、および前記スペーサは、同一の材料から形成されていてもよい。

ある態様において、前記同一の材料は石英であり、前記シール材は石英用フリットであってもよい。

ある態様において、深紫外発光デバイスは、前記複数の放電電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に設けられた保護膜とをさらに備えていてもよい。

ある態様において、深紫外発光デバイスは、前記発光層と前記第１の基板との間に加速電極をさらに備え、前記加速電極は、印加された電位に応じて前記プラズマ中の電子を加速させるように構成されていてもよい。

ある態様において、前記加速電極は、ストライプ状またはメッシュ状の形状を有していてもよい。

ある態様において、前記発光層は、窒化物半導体から形成されていてもよい。

ある態様において、前記ガスは、希ガスの単体ガスまたは希ガスの混合ガスであってもよい。

ある態様において、前記複数の放電電極は、前記第２の基板上に配置されていてもよい。

本発明の他の一態様である深紫外発光デバイスは、深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板とを封着するシール材と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成された放電空間内に封入されたガスと、電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する酸化マグネシウム層とを備えている。

ある態様において、深紫外発光デバイスは、前記第１の基板と前記第２の基板との間の間隔を保持するビーズスペーサをさらに備えていてもよい。

ある態様において、前記ビーズスペーサはガラスから形成されていてもよい。

ある態様において、深紫外線を透過させる前記材料は、石英であってもよい。

ある態様において、深紫外発光デバイスは、前記複数の放電電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に設けられた保護膜とをさらに備えていてもよい。

ある態様において、深紫外発光デバイスは、前記酸化マグネシウム層と前記第１の基板との間に加速電極をさらに備え、前記加速電極は、印加された電位に応じて前記プラズマ中の電子を加速させるように構成されていてもよい。

ある態様において、前記加速電極は、ストライプ状またはメッシュ状の形状を有していてもよい。

ある態様において、前記ガスは、希ガスの単体ガスまたは希ガスの混合ガスであってもよい。

ある態様において、前記複数の放電電極は、前記第２の基板上に配置されていてもよい。

本発明の他の一態様である深紫外発光デバイスは、深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間の放電空間を規定するスペーサと、前記第１の基板と前記第２の基板とを前記スペーサを介して封着するシール材であって、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記スペーサの熱膨張率との差の絶対値は、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記シール材の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい、シール材と、前記放電空間内に封入されたガスと、電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する酸化マグネシウム層とを備える。

本発明の一態様である深紫外発光デバイスの製造方法は、深紫外線を透過させる材料から形成された第１の基板上に深紫外線を発する発光体を配置する工程（ａ）と、深紫外線を透過させる材料から形成された第２の基板上にプラズマを発生させる複数の放電電極を形成する工程（ｂ）と、前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記第１の基板と前記第２の基板との間の放電空間を規定するスペーサを介してシール材によって封着する工程（ｃ）であって、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記スペーサの熱膨張率との差の絶対値は、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記シール材の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい、工程（ｃ）とを包含する。

本発明の他の一態様である深紫外発光デバイスの製造方法は、ビヒクルと、ＭｇＯ粉とを混合してＭｇＯペーストを生成する工程（ａ）と、深紫外線を透過させる材料から形成された第１の基板上に前記ＭｇＯペーストを塗布する工程（ｂ）と、塗布したＭｇＯペースト上にビーズスペーサを撒く工程（ｃ）と、深紫外線を透過させる材料から形成された第２の基板上にプラズマを発生させる複数の放電電極を形成する工程（ｄ）と、前記第１の基板と前記第２の基板とをシール材によって封着する工程（ｅ）とを包含する。

本発明の他の一態様である深紫外発光デバイスの製造方法は、ビヒクルと、ＭｇＯ粉と、ビーズスペーサとを混合してＭｇＯペーストを生成する工程（ａ）と、深紫外線を透過させる材料から形成された第１の基板上に前記ＭｇＯペーストを塗布する工程（ｂ）と、深紫外線を透過させる材料から形成された第２の基板上にプラズマを発生させる複数の放電電極を形成する工程（ｃ）と、前記第１の基板と前記第２の基板とをシール材によって封着する工程（ｄ）とを包含する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による深紫外発光デバイスの実施形態を説明する。

（実施形態１）
まず、図１を参照しながら、本実施形態による深紫外発光デバイス１００の構造および機能を説明する。図１は、深紫外発光デバイス１００の模式図である。なお、図１は、深紫外発光デバイス１００のＸＹ平面での断面を示している。また、図１に示すＸ軸は鉛直方向、Ｙ軸は水平方向を示す。

深紫外発光デバイス１００は、前面基板（第２の基板）１０と、背面基板（第１の基板）２０と、複数の放電電極３０と、誘電体層４０と、保護膜５０と、発光層６０と、加速電極７０と、放電空間８０と、スペーサ９０と、フリット９１とを備える。なお、後述するように、誘電体層４０、保護膜５０および加速電極７０は、深紫外発光デバイス１００に含まれていなくてもよい。

前面基板１０と、背面基板２０とは、対向して配置されている。前面基板１０と、背面基板２０との間には、スペーサ９０によって放電空間８０が規定される。

前面基板１０および背面基板２０は、石英から形成されている。石英は、深紫外線を透過させる材料である。例えば、各基板の厚さは、７０％程度以上の透過率を確保する観点から、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。ただし、紫外線に対して、例えば７０％以上の高い透過率が得られる範囲において、各基板の厚さは、設計仕様等により適宜変更し得る。

また、前面基板１０および背面基板２０は大面積を有している。各基板の面積は、例えば６０インチである。ただし、本発明はこれに限定されず、各基板は、深紫外発光デバイスの用途に適したサイズにすればよい。従って、基板の面積は、５０インチであってもよいし、１００インチであってもよい。本願明細書では、「大面積」とは、サファイア基板に代表されるウエハの典型的な大きさ（例えば、６インチ）以上の面積を意味する。

深紫外線を透過させる他の材料としては、例えば、サファイア、石英、石英ガラス、フッ化ガラス、フッ化カルシウムがある。本発明においては、基板は、石英から形成されていなくてもよく、例えば、深紫外線を透過させる上記のような材料から形成され得る。

フリット９１は、石英基板同士を封着するために用いられ、例えば、上述した石英用フリットを用いることができる。前面基板１０と、背面基板２０とは、スペーサ９０を介してフリット９１によって封着されており、放電空間８０内には、プラズマを生成するためのガスが封入されている。

放電空間８０内のガスは、例えば、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｈｅ、ＫｒおよびＡｒの希ガスの単体、または希ガスの混合ガスである。

スペーサ９０は、前面基板１０および背面基板２０の材料と同じ石英から形成され、フリット９１内部に挿入される。このため、スペーサ９０の熱膨張率は、前面基板１０および背面基板２０の熱膨張率と同じである。

前面基板１０と、背面基板２０と、スペーサ９０と、フリット９１との熱膨張率の間では、以下の項目（１）および（２）の関係が満たされる。これらの関係を満足することによって、基板とフリット９１との熱膨張率の差による応力が緩和され、クラックの発生を抑制できる。

（１）前面基板１０の熱膨張率と、スペーサ９０の熱膨張率との差の絶対値は、前面基板１０の熱膨張率と、フリット９１の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい。
（２）背面基板２０の熱膨張率と、スペーサ９０の熱膨張率との差の絶対値は、背面基板２０の熱膨張率と、フリット９１の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい。

本実施形態では、スペーサ９０を、前面基板１０および背面基板２０の材料と同じ石英から形成することにより、両基板とスペーサ９０との熱膨張率の差の絶対値を限りなくゼロに近づけることができる。その結果、上記の項目（１）および（２）の関係を容易に満たすことができ、クラックの発生を抑制することができる。

なお、本発明では、上記の項目（１）および（２）の関係を満足すればよく、前面基板１０、背面基板２０、およびスペーサ９０は、同一の材料である石英から形成されていなくてもよい。

上述した例では、前面基板１０、背面基板２０およびスペーサ９０の材料は、石英である。フリット９１として石英フリットを用いた場合、両基板の熱膨張率（５．０×１０‐⁷（１／Ｋ））は、フリットの熱膨張率（３８．４×１０‐⁷（１／Ｋ））よりも低くなる。

これに対して、基板の熱膨張率が、フリットの熱膨張率よりも高い場合でも、上記の項目（１）および（２）の関係を満たす限りにおいては、クラックの発生を抑制する効果を得ることができる。例えば、両基板およびスペーサ９０の材料として、フッ化カルシウムを用いた場合を考える。フッ化カルシウムの熱膨張率は、１８７．０×１０‐⁷（１／Ｋ）であることが知られている。したがって、フリット９１としてＰＤＰフリットや石英用フリットを用いた場合、基板の熱膨張率は、フリットの熱膨張率よりも高くなる。このような場合でも、上記の項目（１）および（２）の関係を満たす限りにおいては、クラックの発生を抑制することができる。

本実施形態では、例えば、両基板の間の間隔は、１ｍｍであり、両基板の法線方向におけるスペーサ９０の長さは、０．８ｍｍである。前面基板１０とスペーサ９０との間のフリット９１の厚さは、０．１ｍｍであり、背面基板２０とスペーサ９０との間のフリット９１の厚さは、０．１ｍｍである。

前面基板１０の一方の面上には、複数の放電電極３０が、図１の紙面に垂直な方向（Ｚ軸の方向）にストライプ状に配置されている。各放電電極３０は、導電性の材料から形成される。例えば、放電電極３０には、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、またはＣｒ／Ｃｕの積層を用いることができる。複数の放電電極３０は、電圧の印加に応じて放電空間８０内にプラズマを発生させる。なお、簡素化の観点から、図１では２つの放電電極３０のみを図示している。例えば、各放電電極３０の幅および高さは、それぞれ２００μｍおよび５μｍであり、隣接する電極の間隔は、１００μｍである。

放電電極３０は、誘電体層４０により覆われている。誘電体層４０は、例えばガラスから形成される。誘電体層４０の厚さは、例えば３０μｍである。

保護膜５０が、誘電体層４０上に設けられている。保護膜５０は、放電時に誘電体層４０の表面へのスパッタダメージを低減し、また、放電に伴い二次電子を放出する。例えば、保護膜５０は、高い二次電子放出係数を有する酸化マグネシウムから形成される。ただし、本発明はこれに限定されず、保護膜５０は、例えば、発光層６０と同じ窒化物半導体から形成され得る。この場合、プラズマにより励起されて保護膜５０からも深紫外線が発せられ、深紫外発光デバイス１００が有する深紫外線の放射量を増大できる。保護膜５０の厚さは、例えば１μｍである。

なお、誘電体層４０と保護膜５０とは、前面基板１０上に配置されていなくてもよいし、誘電体層４０がプラズマによるスパッタリングに対して十分な強度を有している場合、保護膜５０は、誘電体層４０上に設けられていなくてもよい。

加速電極７０が、放電電極３０が形成された前面基板１０の面に対向するように、背面基板２０上に配置されている。加速電極７０は、放電電極３０と同様に導電性の材料から形成される。例えば、加速電極７０には、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＣｒ／Ｃｕの積層を用いることができる。

例えば、加速電極７０は、メッシュ状またはストライプ状の形状を有している。図１には、Ｙ軸方向にストライプ状に設けられた加速電極７０を例示している。放電電極３０と加速電極７０とは互いに直交している。なお、外部への深紫外線の取り出しに影響を与えない形状であれば、加速電極７０は、いかなる形状であってもよい。例えば、加速電極７０は、背面基板２０上にベタに設けられていても構わない。

加速電極７０は、印加された電位に応じてプラズマ中の電子を加速させるように構成されている。加速電極７０は、例えば５０μｍの厚さを有する誘電体層（不図示）によって保護されている。加速電極７０の各電極の高さは、例えば５μｍであり、隣接する電極の間隔は、例えば１ｍｍである。なお、放電によって生成されたプラズマが発光層６０を励起するだけの十分なエネルギーを有している場合、加速電極７０は設けなくてもよい。

発光層６０が、放電電極３０（プラズマ）に対向するように背面基板２０に支持されている。具体的には、発光層６０は、加速電極７０上の誘電体層（不図示）上に設けられ、発光層６０と、背面基板２０との間に、加速電極７０が位置している。発光層６０は、深紫外線を発する複数の発光体から構成されている。発光層６０は、複数の発光体が、例えば格子状に配置された形状を有する。発光層６０の厚さは、例えば０．５ｍｍである。

発光体は、プラズマによって励起されて深紫外線を発する。深紫外線の波長は、例えば、１８０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である。発光体は、例えば、窒化物半導体、深紫外線を発するダイアモンド、希土類添加型ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｎＭｎＯ、または窒化ボロンから形成され得る。窒化物半導体とは、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮの超格子、または希土類添加型ＡｌＧａＮである。なお、発光体の材料は、これらに限定されず、プラズマによって励起されて深紫外線を発するものであればよい。例えば、後述するように、深紫外線を発する発光体は、背面基板２０上に塗布して形成された層状の酸化マグネシウムであってもよい。本願明細書では、発光層６０が、プラズマによって励起されて深紫外線を発するものとする。

次に、深紫外発光デバイス１００の駆動方法の一例を説明する。隣接する放電電極３０に電源（不図示）から高周波電圧が印加される。電源の周波数は、例えば６０Ｈｚ〜２００ｋＨｚである。電源は、深紫外発光デバイス１００内部に電源回路（不図示）として設けられていてもよいし、深紫外発光デバイス１００に接続される外部電源であってもよい。高周波電圧の印加に応じて、隣接する放電電極３０の間に電場が形成され、プラズマがその電場によって放電空間８０内に発生する。例えば、電源回路は、５〜２０μｓ期間の間に１８０〜７００Ｖのパルス電圧を隣接する放電電極３０に印加する。なお、電源は交流に限定されず、直流であっても構わない。

動的なプラズマ制御を達成するために、放電電極３０にパルス電圧を印加した後にインターバル期間（例えば、２〜５μｓ）を設ける。そして、インターバル期間が経過した後、プラズマ中の電子を加速させるために、例えば１０〜５０μｓ期間の間に２００〜７００Ｖのパルス電圧を加速電極７０に印加する。これにより、プラズマ中の電子を加速させて、発光層６０を励起し、発光層６０は深紫外線を発する。なお、非特許文献１には、深紫外発光素子の動作の詳細が開示されているので、これら開示内容の全てを参考のために本願明細書に援用する。

図２を参照しながら、深紫外発光デバイス１００の他の構成例を説明する。図２は、深紫外発光デバイス１００の他の構成（深紫外発光デバイス１００Ａ）を示す模式図である。深紫外発光デバイス１００Ａの構造は、放電電極３０が放電空間８０内に設けられている点で、深紫外発光デバイス１００の構造とは異なる。それ以外の構成要素は、深紫外発光デバイス１００の構成要素と同じであり、同一のものについては、それらの詳細な説明は省略する。なお、図２では、図１に示す構成要素と同一のものには同じ符号を付している。

放電電極３０は、ワイヤー９３によって放電空間８０内において支持されている。このような構成においても、電圧の印加に応じて放電空間８０内にプラズマを発生させることができる。

また、図２に示すように、少なくとも、スペーサ９０と、前面基板１０と、背面基板２０との間に、フリット９１は塗布されていればよく、深紫外発光デバイス１００のように、スペーサ９０の全面を覆うようにフリット９１は塗布されていなくてもよい。このような構造においても、クラックの発生を十分に抑制できる。

次に、図３を参照しながら、深紫外発光デバイス１００の製造方法を説明する。なお、以下に説明する製造方法は一例であり、深紫外発光デバイス１００の製造には、半導体製造に用いられる技術、プリント配線技術、およびサンドブラスト法などのガラス加工に用いられる技術などＰＤＰの製造時に用いられる種々の公知な技術を広く用いることができる。

図３は、深紫外発光デバイス１００の製造工程の一例を示す。

（１．前面基板１０の製造工程）
まず、前面基板１０を準備する（ステップＳ１０１）。そして、スクリーン印刷法などによってＡｇを含む誘電材料を前面基板１０上に塗布し、例えば１００℃〜２５０℃の温度範囲において乾燥させる。その後、フォトリソグラフィ法によって電極パターンを形成して、例えば４００℃〜６００℃の温度範囲において電極パターンを焼成し、放電電極３０を形成する（ステップＳ１０２）。

次に、放電電極３０を覆うように、前面基板１０上に誘電体（例えば、誘電体ガラスフリット）を所定の厚さで塗布し、例えば１００℃〜２５０℃の温度範囲において乾燥させる。その後、例えば４００℃〜６００℃の温度範囲において誘電体を焼成し、誘電体層４０を形成する（ステップＳ１０３）。

次に、ＥＢ蒸着によって誘電体層４０上に保護膜５０を形成する（ステップＳ１０４）。

最後に、前面基板１０の周囲にシール材であるフリット９１を塗布して、例えば１００℃〜２５０℃の温度範囲において乾燥させた後、５００℃以下の温度でフリット９１を焼成する（ステップＳ１０５）。

以上の工程により、放電電極３０が配置された前面基板１０が完成する。

（２．背面基板２０の製造工程）
前面基板１０の製造と並行して背面基板２０を製造する。

まず、背面基板２０を準備する（ステップＳ１０６）。そして、スクリーン印刷法などによってＡｇを含む誘電材料を背面基板２０上に塗布し、例えば１００℃〜２５０℃の温度範囲において乾燥させる。その後、フォトリソグラフィ法によって、例えばメッシュ状に電極パターンを形成して、例えば４００℃〜６００℃の温度範囲において電極パターンを焼成し、加速電極７０を形成する（ステップＳ１０７）。

次に、加速電極７０を覆うように、背面基板２０上に誘電体（例えば、誘電体ガラスフリット）を所定の厚さで塗布し、例えば１００℃〜２５０℃の温度範囲において乾燥させる。その後、例えば４００℃〜６００℃の温度範囲において誘電体を焼成し、誘電体層を形成する（ステップＳ１０８）。

次に、例えばＭＯＣＶＤ法を用いてサファイア基板上に窒化物半導体層を形成し、複数の発光体を生成する。そして、例えば、複数の発光体を背面基板２０の誘電体層上に格子状に配置し、接着材等を用いて固定することにより、発光層６０を形成する（ステップＳ１０９）。

最後に、背面基板２０の周囲にシール材であるフリット９１を塗布して、例えば１００℃〜２５０℃の温度範囲において乾燥させた後、４００℃程度でフリット９１を焼成する（ステップＳ１１０）。

以上の工程により、発光層６０が配置された背面基板２０が完成する。

前面基板１０および背面基板２０の製造と並行して、スペーサ９０を準備し（ステップＳ１１１）、その周辺部にシール材であるフリット９１を塗布して、例えば１００℃〜２５０℃の温度範囲において乾燥させた後、５００℃以下の温度でフリット９１を焼成する（ステップＳ１１２）。なお、フリット９１を塗布するスペーサ９０のエリアは、図２に示すように両基板と接する面だけあってもよい。

（３．前面基板１０および背面基板２０の貼り合せの工程）
前面基板１０および背面基板２０がスペーサ９０を介して互いに対向するようにそれらを配置して、５００℃以下の温度範囲での加熱処理によって両基板を封着する（ステップＳ１１３）。

次に、ベーキングしながら放電空間８０内をガス管を通して真空引きして排気し、そこにガスを封入する（ステップＳ１１４）。

最後に、チップオフによってガス管を封止する（ステップＳ１１５）。

以上の工程を経て、深紫外発光デバイス１００が完成する。

（実施形態２）
図４〜６を参照しながら、本実施形態による深紫外発光デバイスの構造および機能を説明する。図４は、本実施形態による深紫外発光デバイス２００の模式図である。

深紫外発光デバイス２００は、発光層が酸化マグネシウム（以降、「ＭｇＯ」と称する。）から形成されている点、およびフリット９１にスペーサが挿入されていない点において、実施形態１による深紫外発光デバイス１００の構成とは異なる。実施形態１による深紫外発光デバイス１００の構成と同様のものについては、それらの詳細な説明は省略する。図４では、図１に示す構成要素と同一のものには同じ符号を付している。なお、誘電体層４０、保護膜５０および加速電極７０は、深紫外発光デバイス１００と同様に、深紫外発光デバイス２００に含まれていなくてもよい。

ＭｇＯ層６１が、発光層として背面基板２０上に支持されている。ＭｇＯ層６１と、背面基板２０との間に、加速電極７０が位置している。ＭｇＯ層６１は、プラズマによって励起されて深紫外線を発する。

ＭｇＯが不純物を含んでいる場合や、酸素欠損が生じている場合には、これらに由来する欠陥準位間において電子の遷移が起こり、ＭｇＯは、紫外線の波長領域における長波長側の紫外線を発する。

一方で、酸化物半導体であるＭｇＯのバンドギャップは理論上７．８ｅＶであるので、電子のバンド間遷移に起因して発せられる深紫外線の波長は、１７３ｎｍである。従って、バンド間遷移に起因した紫外線を取出すことができれば、短波長の深紫外線を発する深紫外発光デバイスを実現できる。このため、ＭｇＯ層６１には、単結晶である酸化マグネシウムを用いることが好ましい。

図５は、実施形態２による深紫外発光デバイス２００の他の構成を示す模式図である。図示するように、深紫外発光デバイス２００は、前面基板１０と背面基板２０との間にビーズスペーサ９２をさらに備えていてもよい。簡素化の観点から、図５では２つのビーズスペーサ９２のみを図示している。ビーズスペーサ９２は、放電空間８０内において、ＭｇＯ層６１と保護膜５０との間に位置し、前面基板１０と背面基板２０との間の間隔を保持する。例えば、ビーズスペーサ９２は、球体の形状を有し、ガラスから形成され、その直径は０．１ｍｍである。

前面基板１０および背面基板２０は、大面積を有しているので、両基板間を封着しただけでは、たとえ実施形態１において説明したスペーサ９０を挿入したとしても、基板全体にわたっては両基板の間の間隔は維持できない。特に、基板の中心部になるほど、重力による基板の歪みが顕著になる。

図６は、ＭｇＯ層６１上に配置されたビーズスペーサ９２の一部を示す模式図である。図示するように、例えば、ビーズスペーサ９２は、ＭｇＯ層６１上にランダムに配置され得る。または、ビーズスペーサ９２は、略等間隔でＭｇＯ層６１上に配置してもよい。例えば、ビーズスペーサ９２を、その間隔が１０ｍｍになるようにＭｇＯ層６１上に配置することにより、基板全体にわたって両基板の間の間隔を維持できる。

ビーズスペーサ９２は、深紫外線に対して高い透過率を有するガラスから形成されているので、放電空間８０内に配置された場合でも、深紫外線への影響は少ない。ビーズスペーサ９２は、深紫外線への影響が少ない限りにおいて、いかなる材料からも形成され得る。例えば、ビーズスペーサ９２は、石英から形成されていてもよい。

深紫外発光デバイス２００は、実施形態１で説明した駆動方法に従い、放電電極３０および加速電極７０に電圧を印加することによって動作する。深紫外発光デバイス２００の動作は、実施形態１による深紫外発光デバイス１００の動作と同じであるので、その説明は省略する。

次に、図７を参照しながら、深紫外発光デバイス２００の製造方法を説明する。なお、以下に説明する製造方法は一例であり、深紫外発光デバイス２００の製造には、半導体製造に用いられる技術、プリント配線技術、およびサンドブラスト法などのガラス加工に用いられる技術などＰＤＰの製造時に用いられる種々の公知な技術を広く用いることができる。

図７は、深紫外発光デバイス２００の製造工程の一例を示す。深紫外発光デバイス２００の製造工程は、ＭｇＯの塗布により発光層を形成する点、およびスペーサを介さずに両基板が封着される点において、実施形態１による深紫外発光デバイス１００の製造工程とは異なる。深紫外発光デバイス１００の製造工程と同様のものについては、それらの詳細な説明は省略する。図７では、図３に示す工程と同一のものには同じ符号を付している。

ＭｇＯを塗布して発光層を形成する工程（ステップＳ１０９Ａ）の詳細を説明する。

まず、ビヒクルに、例えば、固形分比２５％でＭｇＯ粉を混合し、ＭｇＯペーストを生成する。

次に、例えば、アプリケーター、スクリーン印刷およびダイコーターによって、背面基板２０上に配置された誘電体層上面にＭｇＯペーストを塗布する。そして、大気中において熱排気を行いながら、塗布したＭｇＯペーストを乾燥させる。

さらに、発光層を形成する工程（ステップＳ１０９Ａ）は、オプションとして、ビーズスペーサ９２を設ける工程を含んでいてもよい。例えば、ビヒクルと、ＭｇＯ粉と、ビーズスペーサ９２とを混合してＭｇＯペーストを生成し、それを塗布してもよいし、ＭｇＯペーストを塗布した後、ビーズスペーサ９２を撒いてもよい。このように、ビーズスペーサ９２を放電空間８０内に配置することは、非常に簡単であり、ＰＤＰのように隔壁（リブ）を形成することなく、デバイス全体において両基板間の間隔を確保することができる。

実施形態２による深紫外発光デバイス２００によれば、ＭｇＯペーストを基板に塗布するだけで、簡単に発光層を形成することができる。また、結晶成長により発光層を形成しなくてもよいので、製造不良を低減できる。さらに、リブに代わってビーズスペーサ９２を放電空間８０内に容易に形成することができる。その結果、デバイスの製造工程を簡素化でき、製造コストを抑えることができるので、大きな発光面積を有する安価な深紫外発光デバイスを提供できる。

（実施形態３）
図８を参照しながら、本実施形態による深紫外発光デバイス３００の構造を説明する。

図８は、実施形態３による深紫外発光デバイス３００の模式図である。深紫外発光デバイス３００は、発光層がＭｇＯから形成されている点において、実施形態１による深紫外発光デバイス１００の構成とは異なる。深紫外発光デバイス１００の構成と同様のものについては、それらの詳細な説明は省略する。図８では、図１および４に示す構成要素と同一のものには同じ符号を付している。なお、誘電体層４０、保護膜５０および加速電極７０は、深紫外発光デバイス１００や２００と同様に、深紫外発光デバイス３００に含まれていなくてもよい。

深紫外発光デバイス３００は、実施形態１に記載した駆動方法に従い、放電電極３０および加速電極７０に電圧を印加することによって動作する。また、深紫外発光デバイス３００は、深紫外発光デバイス１００および２００の製造方法に従って製造することができる。

実施形態３による深紫外発光デバイス３００によれば、大きな発光面積を有する深紫外発光デバイスを安価に提供できる。さらに、フリットにスペーサが挿入されているので、クラックの発生をより確実に抑制できる。

本発明の一態様による深紫外発光デバイスは、照明、殺菌、医療、浄水、計測等の様々な分野において利用することができる。

１０ 前面基板
２０ 背面基板
３０ 放電電極
４０ 誘電体層
５０ 保護膜
６０ 発光層
６１ ＭｇＯ層
７０ 加速電極
８０ 放電空間
９０ スペーサ
９１ フリット
９２ ビーズスペーサ
９３ ワイヤー
１００、１００Ａ、２００、３００ 深紫外発光デバイス

Claims (22)

1. 深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間の放電空間を規定するスペーサと、
   前記第１の基板と前記第２の基板とを前記スペーサを介して封着するシール材であって、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記スペーサの熱膨張率との差の絶対値は、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記シール材の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい、シール材と、
   前記放電空間内に封入されたガスと、
   電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、
   前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する発光層と、
   を備えた、深紫外発光デバイス。
2. 前記第１の基板、前記第２の基板、および前記スペーサは、同一の材料から形成されている、請求項１に記載の深紫外発光デバイス。
3. 前記同一の材料は石英であり、前記シール材は石英用フリットである、請求項２に記載の深紫外発光デバイス。
4. 前記複数の放電電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に設けられた保護膜とをさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
5. 前記発光層と前記第１の基板との間に加速電極をさらに備え、
   前記加速電極は、印加された電位に応じて前記プラズマ中の電子を加速させるように構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
6. 前記加速電極は、ストライプ状またはメッシュ状の形状を有する、請求項５に記載の深紫外発光デバイス。
7. 前記発光層は、窒化物半導体から形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
8. 前記ガスは、希ガスの単体ガスまたは希ガスの混合ガスである、請求項１から７のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
9. 前記複数の放電電極は、前記第２の基板上に配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
10. 深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、
    前記第１の基板と前記第２の基板とを封着するシール材と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成された放電空間内に封入されたガスと、
    電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、
    前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する酸化マグネシウム層と、
    を備えた、深紫外発光デバイス。
11. 前記第１の基板と前記第２の基板との間の間隔を保持するビーズスペーサをさらに備える、請求項１０に記載の深紫外発光デバイス。
12. 前記ビーズスペーサはガラスから形成されている、請求項１１に記載の深紫外発光デバイス。
13. 深紫外線を透過させる前記材料は、石英である、請求項１０から１２のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
14. 前記複数の放電電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に設けられた保護膜とをさらに備える、請求項１０から１３のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
15. 前記酸化マグネシウム層と前記第１の基板との間に加速電極をさらに備え、
    前記加速電極は、印加された電位に応じて前記プラズマ中の電子を加速させるように構成されている、請求項１０から１４のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
16. 前記加速電極は、ストライプ状またはメッシュ状の形状を有する、請求項１５に記載の深紫外発光デバイス。
17. 前記ガスは、希ガスの単体ガスまたは希ガスの混合ガスである、請求項１０から１６のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
18. 前記複数の放電電極は、前記第２の基板上に配置されている、請求項１０から１７のいずれかに記載の深紫外発光デバイス。
19. 深紫外線を透過させる材料から形成され、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間の放電空間を規定するスペーサと、
    前記第１の基板と前記第２の基板とを前記スペーサを介して封着するシール材であって、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記スペーサの熱膨張率との差の絶対値は、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記シール材の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい、シール材と、
    前記放電空間内に封入されたガスと、
    電圧の印加に応じて前記放電空間内に前記ガスのプラズマを発生させる複数の放電電極と、
    前記プラズマに対向するように前記第１の基板に支持され、前記プラズマによって励起されて深紫外線を発する酸化マグネシウム層と、
    を備えた、深紫外発光デバイス。
20. 深紫外線を透過させる材料から形成された第１の基板上に深紫外線を発する発光体を配置する工程（ａ）と、
    深紫外線を透過させる材料から形成された第２の基板上にプラズマを発生させる複数の放電電極を形成する工程（ｂ）と、
    前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記第１の基板と前記第２の基板との間の放電空間を規定するスペーサを介してシール材によって封着する工程（ｃ）であって、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記スペーサの熱膨張率との差の絶対値は、前記第１の基板および第２の基板の熱膨張率と、前記シール材の熱膨張率との差の絶対値よりも小さい、工程（ｃ）と、
    を包含した、深紫外発光デバイスの製造方法。
21. ビヒクルと、ＭｇＯ粉とを混合してＭｇＯペーストを生成する工程（ａ）と、
    深紫外線を透過させる材料から形成された第１の基板上に前記ＭｇＯペーストを塗布する工程（ｂ）と、
    塗布したＭｇＯペースト上にビーズスペーサを撒く工程（ｃ）と、
    深紫外線を透過させる材料から形成された第２の基板上にプラズマを発生させる複数の放電電極を形成する工程（ｄ）と、
    前記第１の基板と前記第２の基板とをシール材によって封着する工程（ｅ）と、
    を包含した、深紫外発光デバイスの製造方法。
22. ビヒクルと、ＭｇＯ粉と、ビーズスペーサとを混合してＭｇＯペーストを生成する工程（ａ）と、
    深紫外線を透過させる材料から形成された第１の基板上に前記ＭｇＯペーストを塗布する工程（ｂ）と、
    深紫外線を透過させる材料から形成された第２の基板上にプラズマを発生させる複数の放電電極を形成する工程（ｃ）と、
    前記第１の基板と前記第２の基板とをシール材によって封着する工程（ｄ）と、
    を包含した、深紫外発光デバイスの製造方法。

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