JP2016219191A - 紫外光発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電力効率が高く、紫外光をより均一に放出する紫外光発光素子を提供する。
【解決手段】紫外光発光素子１は、第１の基体２と、複数の電極７と、誘電体層６と、第２の基体３と、封着材８と、発光層４とを備える。複数の電極７の各々は、第１の基体２の主面上において、第１の基体２、第２の基体３および封着材８で封じられた密閉空間の外部から、第１の基体２と封着材８とが接合される第１の接合箇所２ａを貫通し、密閉空間の内部を通り、第１の基体２と封着材８とが接合される第２の接合箇所２ｂに至るように延在している。
【選択図】図２

Description

本発明は、紫外光発光素子に関し、特に、バリア放電を用いて紫外光を発する紫外光発光素子に関する。

紫外光（紫外線）、特に、波長が約２００〜３５０ｎｍである深紫外光（深紫外線）は、有機物を分解する作用を有することから、殺菌、脱臭、洗浄、浄水、リソグラフ、照明などの様々な分野で利用されている。従来、深紫外光の光源としては、水銀をグロー放電させる水銀ランプが広く使われている。しかし、環境負荷の観点から、例えば欧州のＷＥＥＥ＆ＲｏＨＳ指令のような、水銀などの環境有害物質に対する規制が厳しくなっている。このため、水銀ランプに代わる光源の開発が望まれている。また、水銀ランプは点発光であるため、大面積で均一な強度の光を必要とするリソグラフなどに利用する場合、複雑な光源設計が必要となるなどの問題もある。

水銀を用いない深紫外光の光源としては、半導体に電子を注入することで発光するＤＵＶ−ＬＥＤ、塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）等の放電ガスをバリア放電により励起させて深紫外光を取り出すエキシマランプ、あるいは、キセノン（Ｘｅ）等の希ガスをバリア放電で励起させて発生させた真空紫外光を蛍光体に照射することで深紫外光を取り出す放電と蛍光体を組み合わせた発光素子などが挙げられる。特に、バリア放電と蛍光体とを組み合わせた深紫外光発光素子は、小さな放電領域を配列させる光源となるため、形状の自由度が高く、複雑な光源設計が不要となる優位性を持つ。

このような従来の紫外光発光素子としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。具体的には、特許文献１は、基板に複数の電極を設け、紫外光を発光する蛍光体を設けた放電空間内を電極に交流電圧を印加することで放電させ、面発光の紫外光を発する紫外光発光素子を開示している。

特表２００９−５０５３６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来の紫外光発光素子は、電力効率が十分に高いとはいえないという問題、および、紫外光を均一に放出できないという問題がある。

そこで、本発明は、電力効率が高く、紫外光をより均一に放出する紫外光発光素子を提供する。

本発明の一形態に係る紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記第１の基体の前記主面に対向して位置する第２の基体と、前記第１の基体と前記第２の基体との間に密閉された放電空間を設けるように、前記第１の基体と前記第２の基体とを接合し、前記第１の基体および前記第２の基体とともに前記放電空間を封じる封着材と、前記誘電体層上または、前記第２の基体の前記放電空間の側の面上に位置し、前記放電空間で発生した励起光を受けて紫外光を発光する発光層とを備え、前記複数の電極の各々は、前記第１の基体の主面上において、前記第１の基体、前記第２の基体および前記封着材で封じられた密閉空間の外部から、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第１の接合箇所を貫通し、前記密閉空間の内部を通り、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第２の接合箇所に至るように延在している。

また、本発明の他の一形態に係る紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記第１の基体の前記主面に対向して位置する第２の基体と、前記第１の基体と前記第２の基体との間に密閉された放電空間を設けるように、前記第１の基体と前記第２の基体とを接合し、前記第１の基体および前記第２の基体とともに前記放電空間を封じる封着材と、前記第１の基体の前記誘電体層上に位置し、前記放電空間で発生した励起光を受けて紫外光を発光する発光層とを備え、前記複数の電極の各々は、前記第１の基体の主面上において、前記第１の基体、前記第２の基体および前記封着材で封じられた密閉空間の外部から、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第１の接合箇所を貫通し、前記密閉空間の内部に延在しており、前記発光層は、前記密閉空間の外部から内部に延びる方向における前記複数の電極の先端部を覆う第１の端部を有し、かつ、前記第１の端部が前記第１の基体と前記封着材とが接合される第２の接合箇所に位置する。

本発明によれば、電力効率が高く、紫外光をより均一に放出する紫外光発光素子が実現される。

実施の形態１における紫外光発光素子の外観斜視図である。 図１における２−２’線を含むＸＺ面で紫外光発光素子を切断して得られる断面図である。 図１における３−３’線を含むＹＺ面で紫外光発光素子を切断して得られる断面図である。 従来の紫外光発光素子の断面図である。 実施の形態１における電極と封着材との位置関係を示す模式平面図である。 希土類の発光中心をドープした蛍光体材料と酸化マグネシウムの発光スペクトルの一例を示す図である。 実施の形態１における紫外光発光素子を製造する封着・排気用加熱炉の概要を示す模式図である。 図７に示される封着・排気用加熱炉の温度プロファイルの一例を示す図である。 図７に示される封着・排気用加熱炉による封着工程における放電空間でのガスおよびその流れを示す図である。 実施の形態２における紫外光発光素子の断面図である。 実施の形態２における電極と封着材と発光層との位置関係を示す模式平面図である。 金属イオンの電気陰性度と帯電量との関係を示すグラフである。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、上記特許文献１に開示された従来の紫外光発光素子に関し、以下の問題が生じることを見出した。

従来の紫外光発光素子において、発光素子の電力効率を向上させる方法の一つとして、放電が発生する電極の間隔距離を広くする手法がある。この手法では、真空紫外光や深紫外光が効率的に発生する領域が広くなるため、紫外光発光素子の電力効率を向上し得る。また、電極間隔が広がることで電極間に発生する無効電力を抑制できるため、紫外光発光素子の電力効率をさらに向上し得る。

しかしながら、本発明者らの検討の結果、電極間隔を広げた場合や、印加する電圧を高めた場合には、紫外光発光素子内部の放電空間中の電界が集中しやすい電極の領域から、沿面放電が発生するという課題があることが分かった。また、沿面放電は、電極の先端部で発生しやすいということもわかった。

沿面放電が発生した場合、非常に強い放電が局所的に起きるため、紫外光発光素子の電力効率の低下や深紫外光の均一性の悪化等、紫外光発光素子に悪影響を与える。また、局所的な放電により、発光層や誘電体や電極を一部分のみ変質させてしまう。このため、紫外光発光素子では、沿面放電を抑制する必要がある。

さらに、２５０ｎｍ以下の波長にピークを持つ酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉体を発光層に用いた場合、この課題が顕著になることが分かった。この理由として、酸化マグネシウムは帯電性が非常に高く、発光層の表面に壁電荷を保持しやすいためと考えられる。具体的には、放電後に発光層である酸化マグネシウム粉体に電荷が蓄積され、次の電圧の印加時に蓄積された電荷に沿って沿面放電が起こるためと予想される。図１２に、金属イオンの電気陰性度と帯電量との関係を示すグラフを示す。図１２から、酸化マグネシウムの帯電性が極めて高いことがわかる。よって、発光層に酸化マグネシウムを用いた紫外光発光素子では、特に、沿面放電を抑制する必要がある。

以上の知見に基づいて、本発明者らは、沿面放電を抑制することによって、電力効率が高く、紫外光をより均一に放出する本発明に係る紫外光発光素子を考案した。

そのような本発明の一形態における紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記第１の基体の前記主面に対向して位置する第２の基体と、前記第１の基体と前記第２の基体との間に密閉された放電空間を設けるように、前記第１の基体と前記第２の基体とを接合し、前記第１の基体および前記第２の基体とともに前記放電空間を封じる封着材と、前記誘電体層上または、前記第２の基体の前記放電空間の側の面上に位置し、前記放電空間で発生した励起光を受けて紫外光を発光する発光層とを備え、前記複数の電極の各々は、前記第１の基体の主面上において、前記第１の基体、前記第２の基体および前記封着材で封じられた密閉空間の外部から、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第１の接合箇所を貫通し、前記密閉空間の内部を通り、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第２の接合箇所に至るように延在している。

これにより、沿面放電が起こり易い電極の先端部は、第１の基体と封着材とで挟まれた空間に位置し、封着材で覆われるので、沿面放電が抑制される。その結果、電力効率が高く、紫外光が従来よりも均一に放出される紫外光発光素子が実現される。

ここで、前記封着材は、角筒構造を有し、前記第１の接合箇所は、前記封着材の第１の側面と前記第１の基体とが接合される箇所であり、前記第２の接合箇所は、前記封着材の前記第１の側面と対向する第２の側面と前記第１の基体とが接合される箇所であってもよい。

また、本発明の他の一形態における紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記第１の基体の前記主面に対向して位置する第２の基体と、前記第１の基体と前記第２の基体との間に密閉された放電空間を設けるように、前記第１の基体と前記第２の基体とを接合し、前記第１の基体および前記第２の基体とともに前記放電空間を封じる封着材と、前記第１の基体の前記誘電体層上に位置し、前記放電空間で発生した励起光を受けて紫外光を発光する発光層とを備え、前記複数の電極の各々は、前記第１の基体の主面上において、前記第１の基体、前記第２の基体および前記封着材で封じられた密閉空間の外部から、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第１の接合箇所を貫通し、前記密閉空間の内部に延在しており、前記発光層は、前記密閉空間の外部から内部に延びる方向における前記複数の電極の先端部を覆う第１の端部を有し、かつ、前記第１の端部が前記第１の基体と前記封着材とが接合される第２の接合箇所に位置する。

これにより、沿面放電が起こり易い箇所である、発光層が形成されていない領域（電極を覆っていない領域）が削減されるので、沿面放電が抑制される。その結果、電力効率が高く、紫外光が従来よりも均一に放出される紫外光発光素子が実現される。

ここで、前記封着材は、角筒構造を有し、前記第１の接合箇所は、前記封着材の第１の側面と前記第１の基体とが接合される箇所であり、前記第２の接合箇所は、前記封着材の第１の側面と対向する第２の側面と前記第１の基体とが接合される箇所であり、前記発光層は、さらに、第１の接合箇所に位置する第２の端部を有してもよい。

なお、前記誘電体層上に、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、および酸化ストロンチウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を含む薄膜から成る保護層が形成されていてもよい。

これにより、誘電体層の上に二次電子放出特性の高い保護層が設けられることになるので、放電空間での放電開始電圧が低くなり、さらに沿面放電が抑制される。

また、前記発光層は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光を発する酸化マグネシウムの粉体を含んでもよい。

これにより、上述した電極の構造によって沿面放電が抑制されるので、発光層として、深紫外光の発光源として好適であるが、帯電性が高いために沿面放電を生じ易いという欠点をもつ酸化マグネシウムを用いることが可能となる。

また、前記酸化マグネシウムの前記粉体は、ハロゲン原子を含んでもよい。具体的には、前記ハロゲン原子は、フッ素であってもよい。

これにより、深紫外光の発光強度が大きくなる。

また、前記放電空間に、ネオンおよびキセノンを含むガスが充填されており、前記発光層は、前記ガス中に生じる前記複数の電極間の放電によって前記励起光を発光してもよい。

これにより、放電空間に充填されたガスの放電開始電圧が下げられ、さらに沿面放電が抑制される。

以下、実施の形態における紫外光発光素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。また、異なる図面であっても、同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明の繰り返しはしない。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１における紫外光発光素子について説明する。

図１は、実施の形態１における紫外光発光素子１の外観斜視図である。なお、本図には、説明の便宜上、直交する３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）が示されている（他の図についても同様）。図２は、図１における２−２’線を含むＸＺ面で紫外光発光素子１を切断して得られる断面図である。図３は、図１における３−３’線を含むＹＺ面で紫外光発光素子１を切断して得られる断面図である。

紫外光発光素子１は、基本的な構成として、第１の基体２と、第１の基体２の主面上に位置する複数の電極７と、第１の基体２の主面上に位置して複数の電極７を覆う誘電体層６と、第１の基体２の主面に対向して位置する第２の基体３と、第１の基体２と第２の基体３との間に密閉された放電空間１０を設けるように第１の基体２と第２の基体３とを接合して第１の基体２および第２の基体３とともに放電空間１０を封じる封着材８と、誘電体層６上または第２の基体３の放電空間１０の側の面上（本実施の形態では、第１の基体２の誘電体層６上および第２の基体３の放電空間１０の側の面上）に位置して放電空間１０で発生した励起光を受けて紫外光（ここでは、深紫外光）を発光する発光層４とを備える。なお、本実施の形態では、誘電体層６上（誘電体層６と発光層４との間）に、保護層５が形成されている。

ここで特徴的な構造として、図２に示されるように、複数の電極７の各々は、第１の基体２の主面上において、第１の基体２、第２の基体３および封着材８で封じられた密閉空間の外部から、第１の基体２と封着材８とが接合される第１の接合箇所２ａを貫通し、密閉空間の内部を通り、第１の基体２と封着材８とが接合される第２の接合箇所２ｂに至るように延在している。

ここで、封着材８は、角筒構造を有している。第１の接合箇所２ａは、封着材８の第１の側面８ａと第１の基体２とが接合される箇所であり、第２の接合箇所２ｂは、封着材８の第１の側面８ａと対向する第２の側面８ｂと第１の基体２とが接合される箇所である。

以下、本実施の形態のおける紫外光発光素子１の各構成要素について、より詳細に説明する。まず、本実施の形態のおける紫外光発光素子１の基本構成について説明する。

紫外光発光素子１は、平面視したときに、例えば、縦が５〜１０ｃｍ、横が５〜１０ｃｍの矩形形状を有し、第１の基体２と第２の基体３とを封着材８を介して接合した構成を有する。第１の基体２には、放電空間１０で放電を発生させるため電圧を印加するための複数の電極７が配設され、電極７を覆うように誘電体層６が積層されている。誘電体層６上の放電空間１０側には、イオン衝撃から誘電体層６を保護する保護層５と、深紫外光を発光する発光層４が形成されている。なお、保護層５は構成要素として必須ではなく、形成されていなくてもよい。

第１の基体２と第２の基体３は、封着材８などによって外周部を気密封着されている。気密封着によって形成された放電空間１０には、キセノン（Ｘｅ）、塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）、フッ素（Ｆ_２）、ネオン（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ_２）などの放電ガスが所定の圧力で封入されている。

なお、発光層４に、後述する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いた場合は、放電ガスとしては、ネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）の混合ガスが適している。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体はバンドギャップが広い材料であるため、波長が１５０ｎｍ付近の励起光で最も効率良く発光する。塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）やキセノン（Ｘｅ）単体の放電ガスを用いた場合、励起光の波長は１７２ｎｍよりも長い波長の割合が多くなる。一方、ネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）の混合ガスにおいては、波長が１４７ｎｍの励起光の割合が高いため、発光層４に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いた紫外光発光素子には、放電ガスとしてネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）の混合ガスを用いるのが望ましい。

第２の基体３は、発光層４で発生した深紫外光を紫外光発光素子１の外部（ここでは、Ｚ軸方向）に取り出すため、深紫外光を透過する材料から成る。深紫外光を透過する材料としては、紫外光を透過しやすい特殊ガラス、石英ガラス（ＳｉＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）フッ化リチウム（ＬｉＦ）、サファイアガラス（Ａｌ_２Ｏ_３）、などが挙げられる。これらの材料のうち、熱膨張係数が、一般的なガラスや保護層５に用いる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の薄膜や酸化カルシウム（ＣａＯ）の薄膜に近いサファイアが深紫外光を透過する材料として好ましい。サファイアを第２の基体３の材料として用いた場合、保護層５や封着材８での割れや亀裂を防ぐことができる。

もう一方の第１の基体２の材料としては、第２の基体３と同じ材料でもよいが、一般的な高歪点ガラスを用いてもよい。

発光層４に用いる材料は、発光効率と作製プロセスの容易さの観点から、深紫外光を発光する蛍光体が使用される。蛍光体としては、希土類の発光中心をドープしたＹＰＯ_４：Ｐｒ、ＹＰＯ_４：Ｎｄ、ＬａＰＯ_４：Ｐｒ、ＬａＰＯ_４：Ｎｄ、ＹＦ_３：Ｃｅ、ＳｒＢ_６Ｏ_１０：Ｃｅ、ＹＯＢｒ：Ｐｒ、ＬｉＳｒＡｌＦ_６：Ｃｅ、ＬｉＣａＡｌＦ_６：Ｃｅ、ＬａＦ_３：Ｃｅ、Ｌｉ_６Ｙ（ＢＯ_３）_３：Ｐｒ、ＢａＹ_２Ｆ_８：Ｎｄ、ＹＯＣｌ：Ｐｒ、ＹＦ_３：Ｎｄ、ＬｉＹＦ_４：Ｎｄ、ＢａＹ_２Ｆ_８：Ｐｒ、ｋ_２ＹＦ_５：Ｐｒ、ＬａＦ_３：Ｎｄや、結晶中の欠陥やバンドギャップで発光するＭｇＯ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ＢＮ等がある。

特に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体は、特許文献２（特開２０１０―８０４４０号公報）でも開示されているように、波長が２００ｎｍから３００ｎｍの間に発光強度のピークを有する、具体的には、波長が２３０ｎｍ付近にピークを持つ深紫外光を発するため、発光層４の材料として好適である。さらに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は二次電子放出特性が高い材料であるため、希土類の発光中心をドープした蛍光体材料を発光層４に用いることより、低い放電開始電圧を実現することができる。さらに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、耐イオン衝撃が高いため、イオン衝撃による発光層４の変質も小さいと考えられる。このため、紫外光発光素子１において、発光層４に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いることは非常に有効であると考えられる。

そこで、本実施の形態では、発光層４は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光を発する酸化マグネシウムの粉体を含む。酸化マグネシウムの粉体は、ハロゲン原子を含むのが好ましい。ハロゲン原子は、例えば、フッ素である。

なお、発光層４として粉体の膜を用いた場合には、膜の密着性が問題となる。このため、発光層４を形成する面には、発光層４の材料となる粉体の膜形状が維持し易いよう、凹凸を設けるのが好ましい。これにより、発光層４と基体（第１の基体２及び第２の基体３）との密着性を高めることができる。

また、発光層４は、電極７を覆う誘電体層６上、または誘電体層６上に形成される保護層５上に形成される。しかしながら、放電強度を高めるために、第１の基体２だけではなく、第２の基体３の放電空間１０側や放電空間１０とは反対側に形成してもよい。

発光層４の下層には、薄膜の酸化マグネシウム層（ＭｇＯ）、酸化カルシウム層（ＣａＯ）、酸化バリウム層（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム層（ＳｒＯ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を含む薄膜から成る保護層５を設けてもよい。特に、薄膜の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、高い耐イオン衝撃性を持つことから、保護層５として用いることで、経時的な放電強度の低下が非常に小さい紫外光発光素子を得ることができる。

誘電体層６は、酸化鉛（ＰｂＯ）または酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）または酸化燐（ＰＯ_４）を主成分とする低融点ガラスがスクリーン印刷法等により約３０μｍの膜厚で形成された層である。誘電体層６により、電極７は絶縁材料で被覆される構成となるため、放電の形態は誘電体バリア放電となる。誘電体バリア放電は、電極７にイオンが直接曝されないため、連続点灯による経時的な発光強度の変化が小さく、連続点灯時間の長い殺菌デバイスやリソグラフへの用途に適している。また、誘電体層６の膜厚は、放電空間１０に与える電界強度に影響するため、紫外光発光素子１のサイズや求める特性に応じて変更することができる。

なお、誘電体層６を電極７上のみに形成してもよい。これにより、誘電体層６で吸収される深紫外光を抑制し、発光層４で発生した深紫外光を高効率に紫外光発光素子１の外部に放出することができる。誘電体層６を電極７上のみに形成するように誘電体層６をパターニングする方法として、電極領域のみ塗布するパターンのスクリーンマスク等を用いて低融点ガラスを主成分としたペーストを電極上にパターン塗布したのち焼成する方法が挙げられる。

電極７は、第１の基体２の主面において、帯状（長尺状）の電極を２本で１対として平行にそれぞれ複数対配置された電極の集合から構成されている。電極７に用いる材料としては、Ａｇ厚膜、Ａｌ薄膜、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒ積層薄膜などが挙げられる。各対の電極７には、矩形波や正弦波等の交流波形が印加される。一般的には、１対の電極のそれぞれに位相が反対の電圧を印加することで、強い発光を得ることができる。また、１対の内の１本の電極７に矩形波の電圧を印加し、もう一方の電極７を接地させることでも放電が可能である。電極７は必ず２本で１対となっているのではなく、放電空間１０の位置・形状の変更や放電が開始される電圧を下げるために複数本を１対として構成する場合もある。

封着材８は、Ｂｉ_２Ｏ_３やＶ_２Ｏ_５を主成分としたフリットを用いる。Ｂｉ_２Ｏ_３を主成分とするフリットとしては、例えば、Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ−ＭＯ系（ここでＲは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇのいずれかであり、Ｍは、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｆｅのいずれかである。）のガラス材料に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、コージライト等酸化物からなるフィラーを加えたものを用いる材料が挙げられる。また、Ｖ_２Ｏ_５を主成分とするフリットとしては、例えば、Ｖ_２Ｏ_５−ＢａＯ−ＴｅＯ−ＷＯ系のガラス材料に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、コージライト等酸化物からなるフィラーを加えたものを用いることができる。

チップ管９は、第１の基体２または第２の基体３（ここでは、第１の基体２のみ）に封着材８を用いて接合される管である。また、接合する基体（ここでは、第１の基体２）には放電ガスを封入できるように貫通孔１１が設けられる。チップ管９は、放電空間１０を排気する際と放電空間１０に放電ガスを封入する際に使用され、放電ガスの封入後に放電ガスが放電空間１０から漏れないよう先端を加熱して封止されている。なお、排気と封入の工程に応じてチップ管９を複数設ける場合もある。

以上のように構成された紫外光発光素子１により、電極７に電圧が印加されることで、発光層４から第２の基体３（および第１の基体２）を介して、紫外光（より特定的には深紫外光）１２が発光される。つまり、電極７には、隣接する１対のそれぞれの電極に位相が相反する矩形波または正弦波の電圧が印加され、これにより、２本の電極間には非常に高い電界が生じ、放電空間１０に充填された放電ガスが放電する。放電ガスに含まれるキセノン（Ｘｅ）や塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）は、放電に伴う励起によって真空紫外光や深紫外光の励起光を発生させ、この励起光が発光層４に照射されることで発光層４から紫外光（より特定的には深紫外光）１２が発せられる。

次に、以上のような基本構成を備える本実施の形態における紫外光発光素子１について、その特徴を説明する。

一般に、紫外光発光素子において、素子の電力効率を向上させる方法として電極の間隔を広げる方法があるが、放電電圧が上がってしまうために発光層や保護層上に沿面放電が発生し、深紫外光の発光強度が低下したりが不均一になったりする課題がある。また、本発明者らの検討の結果、電極の先端は、局所的に電界がかかる領域であるため、沿面放電が起きやすいことが分かった。

この課題の解決法として、本実施の形態における紫外光発光素子１は、図２に示すように、電極７の一方の先端部７ａ（第２の接合箇所２ｂにおける電極７の先端部７ａ）を、Ｚ軸方向で（紫外光発光素子１を平面視したときに）、封着材８の形成領域に重ならせるようにした。図４は、図２に対応する従来の紫外光発光素子の断面図である。図２および図４における電極７の先端部７ａの位置を比較して分かるように、本実施の形態では、複数の電極７の各々は、第１の基体２の主面上において、第１の基体２、第２の基体３および封着材８で封じられた密閉空間の外部から、第１の基体２と封着材８とが接合される第１の接合箇所２ａを貫通し、密閉空間の内部を通り、第１の基体２と封着材８とが接合される第２の接合箇所２ｂに至るように延在している。つまり、電極７の先端部７ａは、第１の基体２と封着材８とで挟まれる箇所に位置している。

なお、図２は、複数の電極７のうち、Ｘ軸の負の方向に、上記密閉空間の外部から内部に向けて先端部７ａが延びる電極７に沿った切断面での断面である。これとは逆に、Ｘ軸の正の方向に、上記密閉空間の外部から内部に向けて先端部が延びる電極７については、電極７と封着材８との位置関係を示す模式平面図である図５に示されるように、第１の接合箇所２ａおよび第２の接合箇所２ｂは、図２と左右が反転した位置関係となる。つまり、本実施の形態では、電圧が印加される各対の電極７のうちの一方の先端部が封着材８の第１の側面８ａと第１の基体２との間に位置し、他方の先端部が封着材８の第２の側面８ｂと第１の基体２との間に位置する。

このような本実施の形態における電極７の先端部７ａの位置により、局所的に電界がかかりやすい電極７の先端部７ａをガラス材料等からなる封着材８で厚く覆うことで沿面放電の発生を抑制することができる。その結果、沿面放電が抑制されることで、本実施の形態における紫外光発光素子１では、電力効率が高く、紫外光が従来よりも均一に放出される。さらに、この解決法では、既存の構成材料を用いるため、コストを増やすことなく課題を解決することができる。

また、紫外光発光素子１の放電開始電圧は、電極７の直上の誘電体層６が形成される領域の二次電子放出特性の影響を強く受ける。このため、図２および図３に示すように、本実施の形態の紫外光発光素子１では、誘電体層６の上に二次電子放出特性の高い保護層５が設けられている。これにより、放電空間１０での放電開始電圧を低くすることができる。その結果、さらに沿面放電を抑制することができる。

ここで、保護層５は、高い二次電子放出特性と耐イオン衝撃性を持つ材料が好ましい。これらの材料としては、薄膜の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、これらの混相層が挙げられる。特に、薄膜の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、安定で高い耐イオン衝撃性を持つことから、経時的な放電強度の変化が非常に小さく、発光強度の高い紫外光発光素子を得ることができる。

図６に希土類の発光中心をドープした蛍光体材料であるＹＢＯ_３：Ｇｄと波長が２３０ｎｍ付近に発光を持つ粉体状の酸化マグネシウム（ＭｇＯ（ＭｇＯ−１、ＭｇＯ−２））の発光スペクトルの一例を示す。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体は、上述したように特許文献２（特開２０１０―８０４４０号公報）でも開示されるように、波長が２３０ｎｍ付近にピークを持つ深紫外光を発するため、発光層４の材料として好適である。さらに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、耐イオン衝撃が高いため、イオン衝撃による発光層４の変質も小さいと考えられる。このため、紫外光発光素子１において、発光層４に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いることは非常に有効であると考えられる。

しかし、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体は、図１２に示すように、帯電性が非常高い材料である。よって、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を発光層４に用いた場合、沿面放電が発生しやすい課題も持っている。このため、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を発光層４に用いる場合、上述した本実施の形態による沿面放電の抑制効果はさらに顕著となる。

また、特許文献２（特開２０１０―８０４４０号公報）では、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体にハロゲン原子を含有させることで深紫外光の発光が強くなることが開示されている。このため、ハロゲン原子が含有した酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体は深紫外光に強い発光を持つため、本実施の形態における紫外光発光素子１に適している。図６において、ＭｇＯ−１はハロゲン原子を含まない酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体の発光スペクトルであり、ＭｇＯ−２はハロゲン原子としてフッ素が含有された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体の発光スペクトルである。図６から、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体にハロゲン原子であるフッ素が含まれることで発光強度が大きくなることがわかる。

また、特許文献３（特開２００４−１３９９２０号公報）には、保護層５にフッ素を含有させることで、放電開始電圧を低下させることが開示されている。このため、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体に含有するハロゲン原子がフッ素である場合、放電のイオン衝撃によってフッ素が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体から保護層５に移動し、保護層５の二次電子放出特性を経時的に高くする作用が起こることで放電開始電圧を経時的に下げることが可能となる。このため、本実施の形態の紫外光発光素子１において、放電開始電圧を低下させることができるフッ素を含んだ酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体の発光層４を使うことは、沿面放電をさらに抑制することができる。

なお、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体に含有するハロゲン原子（元素）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体から保護層５に移動したハロゲン原子（元素）は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）や高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法によって特定することができる。

第２の基体３または第１の基体２を構成する紫外光を透過する材料は、上述したように、石英やフッ化マグネシウムなどが挙げられるが、熱膨張係数が一般的なガラスや保護層５に用いる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の薄膜や酸化カルシウム（ＣａＯ）の薄膜に近いサファイアが深紫外光を透過する材料として好ましい。サファイアを用いた場合、保護層５や封着材８での割れや亀裂を防ぐことができる。

放電ガスとして、上述したように、キセノン（Ｘｅ）、塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）、フッ素（Ｆ_２）、ネオン（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ_２）等が挙げられるが、ネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）の混合ガスが適している。キセノン（Ｘｅ）は放電により効率良く紫外光を放出するが、キセノン（Ｘｅ）単体の放電ガスを用いた場合、放電開始電圧が高くなる問題がある。この対策として、ネオン（Ｎｅ）をキセノン（Ｘｅ）に混合させることで、ペニング効果を発生させ、放電開始電圧を下げることができる。このため、本実施の形態における紫外光発光素子１の放電ガスに低い放電開始電圧を実現できるネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）との混合したガスを用いることは、沿面放電をさらに抑制することができる。

次に、以上のように構成される本実施の形態における紫外光発光素子１の製造方法を説明する。

まず、第１の基体２に電極７を形成する。電極７の形成方法としては、露光プロセス、印刷プロセスや蒸着プロセスなど公知の形成法によりパターニングして形成する。

次に、第１の基体２に形成した電極７を覆うように、第１の基体２上に誘電体ペーストをダイコート法などにより塗布して誘電体ペースト（誘電体材料）層を形成する。誘電体ペーストを塗布した後、所定の時間放置することによって、塗布された誘電体ペースト層の表面がレベリングされて平坦な表面になる。その後、誘電体ペースト層を焼成固化することにより電極７を覆う誘電体層６が形成される。なお、誘電体ペーストは、例えば、ガラス粉末などの誘電体材料、バインダ及び溶剤を含む塗料である。

次に、誘電体層６の上に発光層４を設ける。発光層４は、発光材料を含むペーストを任意の領域に塗布し、乾燥と焼成をすることで形成する。

第２の基体３には、第１の基体２で形成した発光層の膜厚よりも薄い膜厚で発光層４を形成する。形成方法は、第１の基体２の発光層４の形成方法と同じでよい。

また、必要に応じて、誘電体層６と発光層４との間に保護層５を形成する。保護層５は放電が形成される電圧（放電開始電圧）を下げる働きと、放電に伴うイオン衝撃から誘電体層６や電極７を保護する働きを持つ。一般的な保護層５は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、及び酸化バリウム（ＢａＯ）の単独材料のペレットや、それらの材料を混合したペレットを原料とした薄膜成膜方法によって形成される。薄膜成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの公知の方法を適用できる。一例として、スパッタリング法では１Ｐａ、蒸着法の一例である電子ビーム蒸着法では０．１Ｐａが実際上取り得る圧力の上限と考えられる。

次に、第１の基体２または第２の基体３の少なくとも一方に封着材８を塗布し、その後、封着材料の樹脂成分等を除去するために３５０℃程度の温度で仮焼成する。

次に、以上のようにして作製した第１の基体２と第２の基体３とを貼り合わせて封着する。

ここでの封着工程で用いる封着・排気用加熱炉について説明する。図７は、本実施の形態における紫外光発光素子１を製造する封着・排気用加熱炉１００の概要を示す模式図である。

封着・排気用加熱炉１００は、内部にヒータ５１を有する加熱炉５２を備えている。図７の加熱炉５２の内部には、第２の基体３の上に仮焼成された封着材８およびチップ管９（ここでは、複数のチップ管９ａ、９ｂ）を有する第１の基体２が重ね合わされている様子が示されている。

第１の基体２と第２の基体３、第１の基体２とチップ管９ａ、９ｂとはそれぞれ、例えばクリップ等の固定手段（図示せず）によって固定された状態となっている。

チップ管９ａには配管５３が接続され、配管５３は、加熱炉５２の外部に設けられた乾燥ガス供給装置７１にバルブ６１を介して接続されている。配管５３にはガス逃がし弁６２が設けられている。

チップ管９ｂには配管５４が接続され、配管５４は、加熱炉５２の外部に設けられた排気装置７２にバルブ６３を介して接続されている。また、配管５４は、加熱炉５２の外部に設けられた放電ガス供給装置７３にバルブ６４を介して接続されている。さらに配管５４は、バルブ６５を介して配管５３にも接続されている。加えて配管５４には圧力計６６が設けられている。

図８は、図７に示される封着・排気用加熱炉１００の温度プロファイルの一例を示す図である。

封着工程およびそれに続く排気工程、放電ガス供給工程のプロファイルの詳細は、順を追って以下に説明するが、説明の便宜上、封着工程と、それに続く排気工程、放電ガス供給工程とを、温度の観点から次の５つの期間に分割する。

すなわち、室温から軟化点まで上昇させる期間（期間１）、軟化点から封着温度まで上昇させる期間（期間２）、封着温度以上の温度で一定時間保持した後、軟化点まで低下させる期間（期間３）（以上、封着工程）、軟化点温度付近またはそれよりやや低い温度で一定時間保持した後、室温まで低下させる期間（期間４：排気工程）、および、室温まで低下した後の期間（期間５：放電ガス供給工程）である。

ここで、軟化点とは、封着材８が軟化する温度を指す。例えば酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）系の封着材料の軟化点温度は、４３０℃程度である。

また封着温度とは、第１の基体２と第２の基体３とが封着材８により、また、第１の基体２とチップ管９とが封着材料（図示せず）により、密閉される状態となる温度を指す。本実施の形態における封着温度は、例えば４９０℃程度である。なお、上記の封着温度は以下のようにしてあらかじめ確認することができる。

すなわち、第１の基体２と第２の基体３とを重ね合わせ、バルブ６１、６４、６５を閉じ、バルブ６３のみを開いて、排気装置７２によってチップ管９ｂを介して放電空間１０を排気しながら、ヒータ５１をオンにして加熱炉５２内部の温度を上昇させる。すると、ある温度で圧力計６６において確認される放電空間１０の圧力がステップ状に減少し、かつバルブ６３を閉じても放電空間１０の圧力が大きく上昇しなくなる。このときの温度は、放電空間１０が密封される封着温度である。

ここで、図９を用いて封着工程の詳細について説明する。図９の（ａ）〜図９の（ｅ）は、それぞれ上述の期間１〜期間５における放電空間１０のガスおよびその流れを示す図である。

まず、第１の基体２と第２の基体３とを位置決めして重ね合わせる。そして図９の（ａ）に示すように、バルブ６１とバルブ６５とを開いて、乾燥ガスを両方の貫通孔１１（１１ａおよび１１ｂ）から放電空間１０に吹き込みながら、ヒータ５１をオンにして加熱炉５２内部の温度を封着材８の軟化点温度まで上昇させる。

このとき、放電空間１０に吹き込まれた乾燥ガスは、図示される乾燥ガス２００のように、第１の基体２または第２の基体３とその上に形成された封着材８との隙間を介して放電空間１０から外部へ漏れ出る状態となる。

なお、乾燥ガスとして、露点が−４５℃以下の乾燥窒素ガスを用い、その流量は５Ｌ／ｍｉｎが一般的である（期間１）。

次に、加熱炉５２内部の温度が封着用フリットの軟化点温度以上になると、図９の（ｂ）に示すように、バルブ６５を閉じるとともにバルブ６１を調節して乾燥ガスの流量を期間１における流量の半分以下の２Ｌ／ｍｉｎにする。そしてガス逃がし弁６２を開いて、放電空間１０の圧力が、加熱炉５２内部の圧力よりも僅かに陽圧となるようにする。そして加熱炉５２内部の温度を封着温度まで上昇させる（期間２）。

次に、加熱炉５２内部の温度が封着温度以上の温度に到達し、封着材８が溶融し、第１の基体２と第２の基体３との封着、および第１の基体２とチップ管９ａ、９ｂとの接合が行われると、図９の（ｃ）に示すように、排気装置７２を動作させバルブ６３を調整して、放電空間１０の圧力を僅かに陰圧、例えば８．０×１０^４Ｐａにする。このようにしてチップ管９ａからは乾燥ガスを供給するとともにチップ管９ｂから乾燥ガスを排気することによって、放電空間１０の圧力を僅かに陰圧に保ちつつ放電空間１０に乾燥した窒素ガスを流し続ける。

そしてヒータ５１を制御して加熱炉５２内部の温度を封着温度以上の温度に約３０分保持する。この間に溶融した封着材が僅かに流動し、放電空間１０の圧力が僅かに陰圧に保たれていることから、第１の基体２と第２の基体３との封着、および第１の基体２とチップ管９ａ、９ｂとの接合が精度よく行われる。その後、ヒータ５１をオフにして加熱炉５２の温度を軟化点以下の温度まで下げる（期間３）。

（排気工程）
排気工程は、放電空間１０のガスを排気する工程である。加熱炉５２内部の温度が軟化点温度以下になると、図９の（ｄ）に示すように、バルブ６１を閉じ、バルブ６３およびバルブ６５を開いて、複数の貫通孔１１（１１ａおよび１１ｂ）からチップ管９ａ、９ｂを通して放電空間１０を排気する。そしてヒータ５１を制御して加熱炉５２内部の温度を所定の時間保持しながら、排気を継続して行う。その後、ヒータ５１をオフにして加熱炉５２内部の温度を室温まで低下させる。この間も排気を継続して行う（期間４）。

（放電ガス供給工程）
放電ガス供給工程は、真空排気された放電空間１０にネオン（Ｎｅ）およびキセノン（Ｘｅ）等を主成分とする放電ガスを供給する工程である。加熱炉５２内部の温度が室温まで低下した後、図９の（ｅ）に示すように、バルブ６３を閉じ、バルブ６４およびバルブ６５を開いて、チップ管９ａ、９ｂから複数の貫通孔１１（１１ａおよび１１ｂ）を通して放電ガスを所定の圧力となるように供給する。その後、チップ管９ａ、９ｂの先端（それぞれ、配管５３、５４）との接続箇所を加熱して封止する。

以上のようにして、所定の構成部材を備えた第１の基体２と第２の基体３とを固定し、その周囲を封着材８で封着して放電空間１０にキセノン（Ｘｅ）とネオン（Ｎｅ）などを含む放電ガスを封入して紫外光発光素子１が完成する。

以上のように、本実施の形態における紫外光発光素子１によれば、複数の電極７の各々は、第１の基体２の主面上において、第１の基体２、第２の基体３および封着材８で封じられた密閉空間の外部から、第１の基体２と封着材８とが接合される第１の接合箇所２ａを貫通し、密閉空間の内部を通り、第１の基体２と封着材８とが接合される第２の接合箇所２ｂに至るように延在している。つまり、電極７の先端部７ａは、第１の基体２と封着材８とで挟まれる箇所に位置している。

これにより、沿面放電が起こり易い電極の先端部は、第１の基体と封着材とで挟まれた空間に位置し、封着材で覆われるので、沿面放電が抑制される。その結果、電力効率が高く、紫外光が従来よりも均一に放出される紫外光発光素子が実現される。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２における紫外光発光素子について説明する。

図１０は、実施の形態２における紫外光発光素子１ａの断面図であり、実施の形態１における図２に対応する。実施の形態１と同じ構成要素については、実施の形態１と同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１０に示す紫外光発光素子１ａは、基本的な構成として、第１の基体２と、第１の基体２の主面上に位置する複数の電極７と、第１の基体２の主面上に位置して複数の電極７を覆う誘電体層６と、第１の基体２の主面に対向して位置する第２の基体３と、第１の基体２と第２の基体３との間に密閉された放電空間を設けるように第１の基体２と第２の基体３とを接合して第１の基体２および第２の基体３とともに放電空間１０を封じる封着材８と、誘電体層６上に位置して放電空間１０で発生した励起光を受けて紫外光を発光する発光層４とを備える。なお、本実施の形態では、誘電体層６上（誘電体層６と発光層４との間）に、保護層５が形成されている。

ここで、複数の電極７の各々は、第１の基体２の主面上において、第１の基体２、第２の基体３および封着材８で封じられた密閉空間の外部から、第１の基体２と封着材８とが接合される第１の接合箇所２ａを貫通し、密閉空間の内部に延在している。そして、特徴的な構造として、発光層４は、密閉空間の外部から内部に延びる方向における複数の電極７の先端部７ａを覆う第１の端部４ａを有し、かつ、第１の端部４ａが第１の基体２と封着材８とが接合される第２の接合箇所２ｂに位置する。

封着材８は、角筒構造を有している。ここで、第１の接合箇所２ａは、封着材８の第１の側面８ａと第１の基体２とが接合される箇所であり、第２の接合箇所２ｂは、封着材８の第１の側面８ａと対向する第２の側面８ｂと第１の基体２とが接合される箇所である。そして、発光層４は、さらに、第１の接合箇所２ａに位置する第２の端部４ｂも有する。

このように、本実施の形態における紫外光発光素子１ａでは、従来の形態と異なる構成として、電極７の先端部７ａが並ぶ側の発光層４の２辺（第１の端部４ａおよび第２の端部４ｂ）が、Ｚ軸方向で（紫外光発光素子１ａを平面視したときに）、封着材８の形成領域に重なっている。つまり、電極７の先端部７ａを覆う発光層４の端部（第１の端部４ａおよび第２の端部４ｂ）が、第１の基体２と封着材８とで挟まれる箇所に位置している。

以上のように構成された本実施の形態における紫外光発光素子１ａについて、その特徴を説明する。

実施の形態１で説明したように、局所的に電界がかかる領域である電極７の先端部７ａでは沿面放電が起きやすい。さらに、この沿面放電は、発光層４が形成されていない領域（電極７を覆っていない領域）で起きていることが分かった。これは、粉体の厚膜である発光層４よりも固体である保護層５や誘電体層６や基体（第１の基体２および第２の基体３）の表面の帯電性が高いためであると考えられる。

この課題の解決法として、本実施の形態における紫外光発光素子１ａは、図１０に示すように、電極７の先端部７ａが並ぶ側の発光層４の２辺（複数の電極７の先端部７ａを覆う第１の端部４ａおよび第２の端部４ｂ）を封着材８の形成領域に重ならせるようにした。つまり、電極７の先端部７ａを覆う発光層４の端部（第１の端部４ａおよび第２の端部４ｂ）が、第１の基体２と封着材８とで挟まれる箇所（第１の接合箇所２ａおよび第２の接合箇所２ｂ）に位置している。図１１は、電極７と封着材８と発光層４との位置関係を示す模式平面図である。電極７の先端部７ａが並ぶ側の発光層４の２辺が封着材８の形成領域に重なっている。

これにより、沿面放電が起きやすい保護層５や誘電体層６や基体の表面を全て発光層４で覆うことになり、沿面放電の発生を抑制することができる。その結果、沿面放電が抑制されることで、本実施の形態における紫外光発光素子１ａでは、電力効率が高く、紫外光が従来よりも均一に放出される。さらに、この解決法では、既存の構成材料を用いるため、コストを増やすことなく課題を解決することができる。

なお、その他の材料、構造の特徴および効果に関しては、実施の形態１と同様である。

次に、以上の実施の形態１および２に従って構成した紫外光発光素子と従来の構成の紫外光発光素子とを試作し、沿面放電の発生のしやすさを比較する実験を行ったので、実施例として説明する。試作した紫外光発光素子の作製方法は、前述した実施の形態１における紫外光発光素子１の作製方法に従った。

試作した紫外光発光素子の電極の基本構造については、実施の形態１および２と同様に、２対の櫛型の電極を左右から入れ違いとなるような形状で作成した。電極は、Ａｇを抵抗加熱蒸着により作成した。電極の放電箇所の電極間隔は１ｍｍであり、１本の電極幅は０．５ｍｍとした。

電極を設ける第１の基体と第２の基体とには深紫外光を透過するサファイアガラスを用い、放電空間側に発光層を設けた。また、第２の基体を構成するサファイアガラスは片面のみ研磨しており、発光層を形成する放電側を未研磨面とすることで発光層の膜の密着性を向上させた。

紫外光発光素子に封入した放電ガスは、放電空間にネオン（Ｎｅ）９５％とキセノン（Ｘｅ）５％の混合ガスを１０ｋＰａで封入した。

誘電体層は、電極を形成した面上の全体に、２０μｍの膜厚で形成した。

誘電体上の保護膜は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を電子ビーム真空蒸着法にて１μｍの厚さで成膜した。保護層は、蒸着マスクを用いて、誘電体の形成領域のみに形成した。

紫外光発光素子の沿面放電の発生のしやすさを比較するため、電極に印加する駆動電圧を上げた際に発生する沿面放電の発生電圧で比較を行った。沿面放電の発生電圧が高いほど、沿面放電が発生しにくいと判断できる。電極に印加する電圧は、３０ｋＨｚの矩形波を用いた。１対の電極には、それぞれ相反する位相の矩形波の電圧を印加した。

沿面放電の発生電圧の測定方法としては、電極に印加する矩形波の電圧を９５０Ｖまで上げ、沿面放電が発生した電圧を「沿面放電発生電圧」として測定した。

発光層の材料の種類、保護層の有無、および、封着材の形成領域に形成される部材を様々な態様に変更して得られる本実施の形態１および２に係る紫外光発光素子の試作について、構成条件と、測定で得られた沿面放電発生電圧とを以下の表１に示す。

従来の発光素子として作製した比較例１と比較例２の素子の構成条件は、比較例１の発光層にＹＢＯ３：Ｇｄを、比較例２の発光層に波長が２００ｎｍから３００ｎｍに発光がある酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いた。発光層の膜厚は、第１の基体上と第２の基体上に２０μｍを均一に形成した。なお、発光層に用いた酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体は、粉体中にハロゲン原子であるフッ素が含まれていることをＸＰＳにて確認している。保護層には、真空蒸着した１μｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の薄膜を用いた。電極の先端および発光層の電極端がある２辺は、封着材の形成領域よりも放電空間側に形成した。

実施の形態１の実施例として作製した実施例１と実施例２の構成条件は、次の通りである。つまり、実施例１の発光層にＹＢＯ３：Ｇｄを、実施例２の発光層にＭｇＯ粉体を用いた。保護層には、真空蒸着した１μｍのＭｇＯ薄膜を用いた。電極の先端は、実施の形態１示した構造と同様に、封着材の形成領域内に形成した。その他の構成は比較例１または２と同じである。

実施の形態２の実施例として作製した実施例３と実施例４の構成条件は、次の通りである。つまり、発光層に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いた。実施例３では、保護層を設けず、誘電体上に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体の発光層を形成した。実施例４では、真空蒸着した１μｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の薄膜の保護層を形成し、その上に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体の発光層を形成した。電極の先端部が並ぶ側の発光層の２辺（第１の端部および第２の端部）は、実施の形態２で示した構造と同様に、封着材の形成領域内に形成した。その他の構成は比較例１または比較例２と同じである。

上記表１に示されるように、沿面放電は、発光層として、ＹＢＯ３：Ｇｄよりも酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いた場合の方が、沿面放電を生じやすいことが分かった。また、電極の先端部または発光層の辺（第１の端部および第２の端部）を封着材の形成領域の内部にすることで沿面放電を抑制できることが分かった。

なお、上記実施例において、発光層の下層に保護膜として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いたが、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）またはこれらの混相層のいずれかを用いても高い電子放出特性を実現することができるため、放電開始電圧の抑制効果が現れる。

また、上記実施例において、発光層の材料の一部に粉体中にハロゲン原子であるフッ素が含まれている酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体を用いたが、例えば塩素（Ｃｌ）のようなフッ素以外のハロゲン原子が含まれた酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体でもよい。さらに、ハロゲン原子を含まなくても酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体は２００ｎｍから３００ｎｍに発光を持つ。

また、上記実施例において、第２の基体に片面研磨のサファイアガラスを用いることで発光層の形成面に凹凸を設けたが、サンドブラスト等で表面に凹凸が付くように加工してもよい。また、第２の基体だけに限らず、第１の基体上の誘電体層等に凹凸を設けてもよい。

また、上記実施例において、放電ガスにネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）との混合ガスを用いたが、これに限らず、ネオン（Ｘｅ）の単体ガスやフッ素（Ｆ_２）等他のガスを用いてもよい。

以上、一つまたは複数の態様に係る紫外光発光素子について、実施の形態１および２に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

例えば、実施の形態１と実施の形態２の特徴を併せ持つ紫外光発光素子として、実現してもよい。具体的には、電極７の先端部７ａが第１の基体２と封着材８とで挟まれた空間に位置し、かつ、電極７の先端部７ａを覆う発光層４の第１の端部４ａが第１の基体２と封着材８とで挟まれた空間に位置してもよい。これにより、沿面放電が大きく抑制され、より電力効率が高く、紫外光が従来よりも均一に放出される紫外光発光素子が実現され得る。

本発明は、紫外光発光素子として、特に、電力効率が高く、より均一に紫外光を発光する紫外光発光素子として、例えば、深紫外光で有機物を分解し、これによって殺菌、脱臭、洗浄、浄水、リソグラフ、照明などの用途に用いることができる深紫外光発光素子として有用である。

１、１ａ 紫外光発光素子
２ 第１の基体
２ａ 第１の接合箇所
２ｂ 第２の接合箇所
３ 第２の基体
４ 発光層
４ａ 第１の端部（発光層）
４ｂ 第２の端部（発光層）
５ 保護層
６ 誘電体層
７ 電極
８ 封着材
８ａ 第１の側面（封着材）
８ｂ 第２の側面（封着材）
９、９ａ、９ｂ チップ管
１０ 放電空間
１１、１１ａ、１１ｂ 貫通孔
１２ 紫外光（より特定的には深紫外光）
５１ ヒータ
５２ 加熱炉
５３、５４ 配管
６１、６３、６４、６５ バルブ
６２ ガス逃がし弁
６６ 圧力計
７１ 乾燥ガス供給装置
７２ 排気装置
７３ 放電ガス供給装置
１００ 封着・排気用加熱炉
２００ 乾燥ガス

Claims (9)

1. 第１の基体と、
   前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、
   前記第１の基体の前記主面上に位置し前記複数の電極を覆う誘電体層と、
   前記第１の基体の前記主面に対向して位置する第２の基体と、
   前記第１の基体と前記第２の基体との間に密閉された放電空間を設けるように、前記第１の基体と前記第２の基体とを接合し、前記第１の基体および前記第２の基体とともに前記放電空間を封じる封着材と、
   前記誘電体層上または、前記第２の基体の前記放電空間の側の面上に位置し、前記放電空間で発生した励起光を受けて紫外光を発光する発光層と、を備え、
   前記複数の電極の各々は、前記第１の基体の主面上において、前記第１の基体、前記第２の基体および前記封着材で封じられた密閉空間の外部から、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第１の接合箇所を貫通し、前記密閉空間の内部を通り、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第２の接合箇所に至るように延在している、紫外光発光素子。
2. 前記封着材は、角筒構造を有し、
   前記第１の接合箇所は、前記封着材の第１の側面と前記第１の基体とが接合される箇所であり、
   前記第２の接合箇所は、前記封着材の前記第１の側面と対向する第２の側面と前記第１の基体とが接合される箇所である、請求項１記載の紫外光発光素子。
3. 第１の基体と、
   前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、
   前記第１の基体の前記主面上に位置し前記複数の電極を覆う誘電体層と、
   前記第１の基体の前記主面に対向して位置する第２の基体と、
   前記第１の基体と前記第２の基体との間に密閉された放電空間を設けるように、前記第１の基体と前記第２の基体とを接合し、前記第１の基体および前記第２の基体とともに前記放電空間を封じる封着材と、
   前記第１の基体の前記誘電体層上に位置し、前記放電空間で発生した励起光を受けて紫外光を発光する発光層と、を備え、
   前記複数の電極の各々は、前記第１の基体の主面上において、前記第１の基体、前記第２の基体および前記封着材で封じられた密閉空間の外部から、前記第１の基体と前記封着材とが接合される第１の接合箇所を貫通し、前記密閉空間の内部に延在しており、
   前記発光層は、前記密閉空間の外部から内部に延びる方向における前記複数の電極の先端部を覆う第１の端部を有し、かつ、前記第１の端部が前記第１の基体と前記封着材とが接合される第２の接合箇所に位置する、紫外光発光素子。
4. 前記封着材は、角筒構造を有し、
   前記第１の接合箇所は、前記封着材の第１の側面と前記第１の基体とが接合される箇所であり、
   前記第２の接合箇所は、前記封着材の第１の側面と対向する第２の側面と前記第１の基体とが接合される箇所であり、
   前記発光層は、さらに、第１の接合箇所に位置する第２の端部を有する、請求項３記載の紫外光発光素子。
5. 前記誘電体層上に、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、および酸化ストロンチウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を含む薄膜から成る保護層が形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
6. 前記発光層は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光を発する酸化マグネシウムの粉体を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
7. 前記酸化マグネシウムの前記粉体は、ハロゲン原子を含む、請求項６に記載の紫外光発光素子。
8. 前記ハロゲン原子は、フッ素である、請求項７に記載の紫外光発光素子。
9. 前記放電空間に、ネオンおよびキセノンを含むガスが充填されており、
   前記発光層は、前記ガス中に生じる前記複数の電極間の放電によって前記励起光を発光する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。

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