JP3889411B2 - 放電灯及び放電電極 - Google Patents

Description

本発明は、放電電極及び放電灯に係り、特に、冷陰極放電電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。

放電灯は一般光源、産業用光源、各種組み込み用光源等として幅広く用いられている。中でも蛍光灯に代表される低圧放電灯は照明光源市場の約半数を占める大きな市場を有している。これら大きな市場を形成する蛍光灯をはじめとする放電灯においては、近年発光効率などの省エネルギーの観点に加えて、省資源、環境負荷低減などの要求が高まってきている。省エネルギーに関しては、同じエネルギでより高い発光強度を得ることが求められており、特にバックライト用などの冷陰極型放電灯では、熱型に比べて相対的に効率が低いため、強い市場要求がある。

これらの解決手段として、陰極材料の開発が活発に行われている。従来用いられているニッケル（Ｎｉ）等と比較して、より低い動作電圧でも放電を開始・維持できる材料の探索が続いており、各種の金属・半導体・酸化物などが試みられており、ダイヤモンド粒子をタングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）等のカソード材の表面に設ける熱電子放出陰極を用いた蛍光体発光装置（特許文献１及び２参照。）が提案されている。

更に、負或いは、金属等の電極に比べて著しく小さい電子親和力を有するダイヤモンドと、ダイヤモンドと同じ炭素からなりかつｓｐ２結合を有するグラファイト或いは非晶質炭素の粒界層を具備する炭素系材料を冷陰極用電極として用いる技術が提案されている（特許文献３参照。）。
特開平１０―６９８６８号公報 特開２０００―１０６１３０号公報 特開２００２−２９８７７７号公報

しかしながら、特許文献１及び２に開示された技術では、通電電力のほとんどがカソード材において消費され、効率向上は必ずしも充分でなかった。

一方、特許文献３に開示された技術では、従来の冷陰極で用いられているＮｉ等の金属電極に代えて、ダイヤモンド相とグラファイト或いは非晶質炭素層を有する炭素系電極を用いているため、特許文献１及び２に開示された技術よりも、高い効率が得られるものの、放電灯管の放電に起因し、Ａｒのイオン衝撃によるスパッタリングによる電極の損耗の問題があり、結果として、長期間高効率を維持できず、寿命が短いという不具合を有している。

上記問題点を鑑み、本発明は、高効率の二次電子放出と長寿命を両立させた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。

上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、放電ガスを封入した封入管中に放電電極を備えた放電灯に関する。即ち、本発明の第１の特徴に係る放電灯に用いられている放電電極は、広禁制帯幅半導体の凸部を複数個集合した電子放出層を備え、凸部は、（イ）上部端面と、（ロ）この上部端面の垂直方向から見えない面となる側壁とを備える。そして、上部端面及び側壁に露出した広禁制帯幅半導体の表面のダングリングボンドが水素終端されていることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、広禁制帯幅半導体の凸部を複数個集合した電子放出層を備える放電電極であって、凸部は、（イ）上部端面と、（ロ）この上部端面の垂直方向から見えない面となる側壁とを備える。そして、上部端面及び側壁において、広禁制帯幅半導体の表面のダングリングボンドが水素終端可能であることを要旨とする。

本発明によれば、高効率の二次電子放出と長寿命を両立させた放電電極及びこれを用いた放電灯を提供することができる。

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。

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できる。

（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（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ；２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）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。

一対の放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ；２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）の内、図１の左側の第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）は、支持体としての広禁制帯幅半導体（ワイドギャップ半導体）基板１ａと、この広禁制帯幅半導体基板１ａの表面に形成されたエミッタとしての電子放出層２ａと、この広禁制帯幅半導体基板１ａの裏面に形成された裏面電極１１ａと、この裏面電極１１ａの裏面に形成された高融点金属板１２ａとを備えている。そして、高融点金属棒１３ａが高融点金属板１２ａに溶接され、電気的に接続されている。高融点金属棒１３ａは、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属からなる丸棒で、封着金属棒（コバール）１４ａに溶接され、この封着金属棒１４ａが封入管９との封止部を貫通している。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のダイヤ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。いずれにせよ、本明細書では、「広禁制帯幅半導体」とは、３００°Ｋにおける禁制帯幅が、ほぼ２．２ｅＶ以上の半導体を意味すると解釈して構わない。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。

同様に、一対の放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ；２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）の内の他方、即ち、図１の右側の第２放電電極（２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）も、支持体としての広禁制帯幅半導体（ワイドギャップ半導体）基板１ｂと、この広禁制帯幅半導体基板１ｂの表面に形成されたエミッタとしての電子放出層２ｂと、この広禁制帯幅半導体基板１ｂの裏面に形成された裏面電極１１ｂと、この裏面電極１１ｂの裏面に形成された高融点金属板１２ｂとを備えている。そして、高融点金属棒１３ｂが高融点金属板１２ｂに溶接され、電気的に接続されている。高融点金属棒１３ｂは、封着金属棒（コバール）１４ｂに溶接され、この封着金属棒１４ｂが封入管９との封止部を貫通している。一対の放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ；２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）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でき、特に限定されない。

図２（ａ）は、図１の左側に示す第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）のＡ部に位置する電子放出層２ａを拡大して示す図で、縦横にマトリクス状に走行する溝で分離された広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・を形成した例である。図２（ａ）に示すように、それぞれの広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面は、任意（ランダム）な平面形状をしているが、図２（ｂ）は、図２（ａ）を模式化して直方体の形状にして示す。

図２（ｂ）の直方体柱Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，のそれぞれの中心を切る断面に沿った断面図を図３に示す。広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,jは、それぞれ、第２放電電極に対向する上部端面と、この上部端面の垂直方向から見えない面となる側壁とで凸部を定義している。広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,jの側壁に露出した広禁制帯幅半導体（広禁制帯幅半導体基板）１の表面のダングリングボンドが水素３で終端されて、電子放出層２ａをなしている。幅Ｗの直方体柱Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,jは、それぞれ幅Ｓの溝で分離され、これらの直方体柱Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,jの側壁（垂直側壁）のダングリングボンドは、水素（Ｈ⁺）３で終端処理されている。このため、本発明の第１の実施の形態に係る第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）では、図２及び図３に示すように、第１放電電極主面近傍での電界に対して概ね平行をなす側壁を多数設け、この壁面のダングリングボンドを水素３で終端処理を施しているので、イオン衝突による水素脱離の確率が低減させられている。なお、図１の右側の第２放電電極（２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）は、図２及び図３に示すような構造である必要はない。しかし、第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）と第２放電電極（２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）とを対称構造にしておけば、第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）が寿命になったとき、第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）と第２放電電極（２ｂ，１ｂ，１１ｂ，１２ｂ）を交換すれば、壁面の水素３によるダングリングボンドの終端が活用できる利点がある。

即ち、本発明の第１の実施の形態に係る放電灯においては、第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）の主面近傍で、陰極暗部で加速されたイオンがこの第１放電電極面に衝突することによって、上部端面のダングリングボンドを終端している水素３の脱離が生じても、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の壁面には水素終端が残留し、全体としてイオン衝突による水素脱離の確率小さくなっている。水素３の脱離がしにくくなっているので、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の壁面の電子親和力χを低いままに維持でき、電子が放出し易い状態が維持できる。又、衝突するイオンのポテンシャルエネルギを元にしたオージェ中和過程による外部への二次電子放出も効率良く行える。

図４（ａ）は、広禁制帯幅半導体からなる第１放電電極からの電子放出機構を示したバンド図である。広禁制帯幅半導体の表面からの二次電子放出は、希ガス１１のイオンに向けて電子が飛び出す際のオージェ中和過程が主であると言われており、この場合、イオン化エネルギΦ_i 、バンドギャップΦ_G、電子親和力χとすると、
Φ_i ＞ ２（Φ_G＋χ） ・・・・・・（１）
のときに電子放出する。即ち、電子親和力χが放出に強く関与している。このため、図４（ｂ）に示すように、電子親和力χが正の値をとると、電子放出は大幅に低減してしまう。

広禁制帯幅半導体では、表面のダングリングボンドが水素３で終端処理されているときには、χ＜０のいわゆる負の電子親和力特性（ＮＥＡ）が安定して得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る放電灯の電子放出層２ａでは、イオン衝撃を受ける主面で水素３の脱離がおきても、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・の側壁（垂直側壁）を多く設けておき、ここのダングリングボンドを水素３を終端処理しておくことによって、電子親和力χの小さい表面を温存し、且つそれを電子が生成する部位の近傍に設けることで、電子が再び基底状態に戻る前に、ＮＥＡ表面に近づく可能性を高め、そこを介しての外部への電子の脱出を促すことができる。

広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の幅Ｗは、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面近傍で、オージェ中和により生成された励起電子が、緩和時間内に広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の壁面までに到達できる距離であることが望ましい。

更に、本発明の第１の実施の形態に係る第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）では、第１放電電極の電子放出層２ａの主面となる広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面で受けたイオンによる生成電子が結晶内で移動しうる距離（平均自由行程λ）内に側壁（垂直側壁）までに到達するように、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の幅Ｗを選ばれており、放出障壁の小さい側壁部からの電子の脱出を効率良く促すことができる。例えば、故意に不純物をドープしないＣＶＤダイヤモンドの電子の平均自由行程λは１〜１０μｍ程度であり（D. Kania et al., Diamond and Related Materials Vol.2, (1993) p.1012）ので、この場合は、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の幅Ｗは、２λ＝２〜２０μｍ程度に選べば良い。ここで、「幅Ｗ」は、より一般には、上部端面上において、測られる平均幅Ｗ_meanである。半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面が正方形ならば、幅Ｗは正方形の一辺の長さである。上部端面が長方形ならば、幅Ｗは長辺の長さａと短辺の長さｂの平均値である：
Ｗ_mean＝（ａ＋ｂ）／２ ・・・・・・（２）
即ち、「幅Ｗ_mean」は、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面上において、両端の位置が端面となる線分の長さの平均値で定義される。広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面が楕円の場合も長軸の長さをａ，短軸の長さをｂとして、（２）式でＷ_meanを定義できる。広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面が真円であれば、Ｗ_meanは真円の直径である。広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面が６角形であれば、互いに対向する辺の間の３つ距離ｗ₁，ｗ₂，ｗ₃の平均値、即ち、両端の位置が端面となる３つの線分の長さのｗ₁，ｗ₂，ｗ₃の平均値：
Ｗ_mean＝（ｗ₁＋ｗ₂＋ｗ₃）／３ ・・・・・・（３）
で与えられる。より一般的に、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面において、互いに対向する辺の間にｎ個の距離（線分）ｗ₁，ｗ₂，ｗ₃，・・・・・，ｗ_nがあれば、ｎ個の距離（線分）の平均値：
Ｗ_mean＝（ｗ₁＋ｗ₂＋ｗ₃＋・・・・・＋ｗ_n）／ｎ ・・・・（４）
で定義される。なお、原理的には、ｎ個の距離（線分）ｗ₁，ｗ₂，ｗ₃，・・・・・，ｗ_nの内の最小値が、広禁制帯幅半導体中の電子の平均自由行程λの２倍以下であれば、効果は期待できるが、効率を考えると、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面上において測られる平均幅Ｗ_meanが広禁制帯幅半導体中の電子の平均自由行程λの２倍以下であることが好ましい。

なお、紫外線励起による光伝導変化を用いるＵＶセンサの検討からも、ダイヤモンドの電子の平均自由行程λは１〜１０μｍ程度としている例もある。但し、平均自由行程λは結晶粒界に影響されるため、平均自由行程λより充分大きな粒の結晶を用いることが必要である。キャリアの平均自由行程λは広禁制帯幅半導体のキャリアの移動度μに依存する。例えば電子の移動度をμ_n，素電荷をｑ，ボルツマン定数をｋ、絶対温度をＴ、電子の有効質量をｍ^*とすれば、電子の平均自由行程λは：
λ ＝ （μ_n／ｑ）（３ｋＴｍ^*）^1/2 ・・・・・・（５）
で表される。キャリアの平均自由行程λがキャリアの移動度μに依存するということは、キャリアの平均自由行程λは、広禁制帯幅半導体の結晶性及びキャリアの不純物密度に依存するということである。電子の不純物密度が１０¹⁷ｃｍ^-3以上の高濃度の場合は、ダイヤモンドの電子の平均自由行程λは１μｍ以下の値もとりうる。このため、例えば、広禁制帯幅半導体の電子の平均自由行程λは１００ｎｍ程度であるとすれば、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の幅Ｗは２λ＝２００ｎｍ以下程度で形成されていることが望ましい。

いずれにせよ、オージェ過程により励起された電子が伝導帯に留まってドリフトする距離内にＮＥＡ側壁が存在すれば、電子放出の確率が高まるので、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の幅Ｗは、２λ程度以下に選べば良い。なお、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・が逆テーパ形状であっても、「幅Ｗ」を、「上部端面上において測られる平均幅Ｗ_mean」として定義しているので、上部端面の近傍の平均幅Ｗ_meanが重要である。逆テーパ形状であれば、上部端面から電子の平均自由行程λ以上深いところの幅は、上部端面の近傍で定義される平均幅Ｗ_meanでより狭い。しかし、この様に上部端面から電子の平均自由行程λ以上深いところでは、オージェ過程等による電子の励起効率そのものが低下するので、全体としては、その幅の効果が効かない。

又、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・を構成する広禁制帯幅半導体は、単結晶であることが望ましいが、多結晶ならば、平均結晶粒径が、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の幅Ｗよりも大きくすることが望ましい。

この様に、本発明の第１の実施の形態に係る第１放電電極によれば、放電灯に組み込まれた状態において、広禁制帯幅半導体の水素終端表面での高い二次電子放出効率を活用して、陰極降下電圧を従来の金属陰極に比べて大幅に低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る第１放電電極（２ａ，１ａ，１１ａ，１２ａ）の電子放出層２ａに用いる広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・の形状は、円柱形状などの種々のバリエーションも可能である。直径が２λ＝２００ｎｍ程度以下に微細化された広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・の場合は、円柱形状の方が製造が容易である。

図５を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る第１放電電極の電子放出層２ａの製造方法を説明する。なお、以下に述べる円柱形状の広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，Ｒ_i,j+2，・・・・を有する電子放出層２ａ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。

（イ）まず、広禁制帯幅半導体基板１の表面に図５（ａ）に示すように、直径が２λ＝２００ｎｍ程度の均一な粒径の粒子Ｘ_i,j-1，Ｘ_i,j，Ｘ_i,j+1，Ｘ_i,j+2，・・・・・を含む液状の懸濁樹脂３１を塗布する。そして、液状の懸濁樹脂３１を気化（乾燥）し、図５（ｂ）に示すように、残留した粒子Ｘ_i,j-1，Ｘ_i,j，Ｘ_i,j+1，Ｘ_i,j+2，・・・・・を、広禁制帯幅半導体基板１の表面に固着させる。この結果、広禁制帯幅半導体基板１の表面に、粒子Ｘ_i,j-1，Ｘ_i,j，Ｘ_i,j+1，Ｘ_i,j+2，・・・・・がエッチングマスクとして、ほぼ一定の間隔で、配列される。

（ロ）粒子Ｘ_i,j-1，Ｘ_i,j，Ｘ_i,j+1，Ｘ_i,j+2，・・・・・を表面に有する広禁制帯幅半導体基板１をエッチングチャンバーの内部に導入し、エッチングチャンバーの内部を真空排気する。そして、粒子Ｘ_i,j-1，Ｘ_i,j，Ｘ_i,j+1，Ｘ_i,j+2，・・・・・をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、図５（ｃ）に示すように、広禁制帯幅半導体基板１の表面を選択的に、エッチング除去する。例えば、広禁制帯幅半導体がダイヤモンドであれば、ＣＦ_４＋微量Ｏ_２混合ガスを用いてＲＩＥをすれば良い。ダイヤモンドのＲＩＥにおいては、酸素を間歇的に添加したりしなかったりすることが有効である。酸素無で側壁にＣＦ系ポリマーが形成され、酸素添加時に底面がエッチングされ、全体として側壁を残しつつ、アスペクト比の高い柱状或いは細孔構造ができる。

（ハ）この後、粒子Ｘ_i,j-1，Ｘ_i,j，Ｘ_i,j+1，Ｘ_i,j+2，・・・・・を広禁制帯幅半導体基板１の表面から除去すれば、図５（ｄ）に示すように、広禁制帯幅半導体基板１の表面に、直径が２λ＝２００ｎｍ程度の円柱形状の広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，Ｒ_i,j+2，・・・・が形成される。

（ニ）その後エッチングチャンバーの内部を真空排気する。そして、このエッチングチャンバーの内部に水素ガスを導入し、広禁制帯幅半導体基板１の表面の全体を水素プラズマ処理する。水素プラズマ処理により、図５（ｅ）に示すように、上部端面、側面を含めて、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，Ｒ_i,j+2，・・・・の表面に水素吸着層３Ｌが形成され、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，Ｒ_i,j+2，・・・・の表面の表面のダングリングボンドを水素３で終端する。

なお、上記の広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，Ｒ_i,j+2，・・・・の表面の表面のダングリングボンドを水素３で終端する工程は、放電灯を構成する封入管９の内部に第１放電電極を組み込む直前、若しくは、放電灯を組み立てる工程の一部として実施しても良い。即ち、第１放電電極のみの単独の製品形態としては、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，Ｒ_i,j+2，・・・・の表面の表面のダングリングボンドが水素３で終端されたものでも、水素３で終端されていないものでもどちらでも構わない。

又、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の幅Ｗが２〜２０μｍ程度に広い場合は、広禁制帯幅半導体基板１にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術により、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の上部端面の位置のフォトレジスト３２が残留するように、フォトレジストをパターニングし、パターニングされたフォトレジストをエッチングマスクとして、ＲＩＥにより、図５（ｃ）に示すように、広禁制帯幅半導体基板１の表面を選択的に、エッチング除去し、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・を形成すれば良い。

図６に示す広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・は、図３のように側壁がストレートでなく、凹凸を持った形状である場合の例を示すもので、主面（上部端面）側から見て、オーバーハングになっている部分を設けている。オーバーハングになっている部分は、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・の上部端面の垂直方向から見えない面となる「陰面」である。この様な陰面を有するランダムな形状の側壁と上部端面とで凸部を定義している。図６に示すように、第１放電電極主面近傍での電界に対して陰となる側壁（陰面）の壁面のダングリングボンドを水素３で終端処理を施しているので、希ガスイオン衝突による水素脱離の確率が、図３に示したイオンの運動ベクトルの方向と平行をなす側壁（垂直側壁）に比し、更に低減できる。この結果、電子放出層２ａは、垂直側壁に比し更に寿命の長い高効率ＮＥＡ表面を維持することができる。

例えば、広禁制帯幅半導体がダイヤモンドであれば、ＣＦ_４＋微量Ｏ_２混合ガスを用いて間歇的なＲＩＥをすれば図６に示すようなオーバーハングを有する凸凹形状の側壁が形成できる。上述したように、ダイヤモンドのＲＩＥにおいては、酸素無で側壁にＣＦ系ポリマーが形成され、酸素添加時に底面がエッチングされるので、この間歇サイクルを変えることでエッチング側壁のラフネスを変えられる。

図７は、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・ではなく、細溝で互いに分離された互いに平行に走行する壁状（平板状）のリッジＲ_j-1，Ｒ_j，Ｒ_j+1，・・・・・を設けた例である。図７に示す平行平板状のリッジＲ_j-1，Ｒ_j，Ｒ_j+1，・・・・・を備える電子放出層２ａの場合も、リッジＲ_j-1，Ｒ_j，Ｒ_j+1，・・・・・・の上部端面において水素が脱離しても、第１放電電極主面近傍での電界に対して概ね平行をなす側壁（垂直側壁）の壁面のダングリングボンドを水素３で終端処理を施しているので、希ガスイオン衝突による水素脱離の確率が低減させられている。この結果、電子放出層２ａは、寿命の長い高効率ＮＥＡ表面を維持することができる。更に、リッジＲ_j-1，Ｒ_j，Ｒ_j+1，・・・・・の厚さを電子の平均自由行程λの２倍程度以下に選ぶことにより、ＮＥＡ表面までの距離をイオン衝突が起こる場所の近傍に設けておけるので、生成した励起電子の外部への脱出を効率良く行わせることができる。この様に、図７に示すリッジＲ_j-1，Ｒ_j，Ｒ_jT1，・・・・・を設けることによっても、電子の放出効率が低下せず、安定な陰極特性を示すことができ、広禁制帯幅半導体のダングリングボンドの水素終端での高い二次電子放出効率を活用して、陰極降下電圧を従来の金属陰極に比べて大幅に低減することができる。

図８に示す本発明の第１の実施の形態の変形例に係る放電灯は、図１と同様に、放電ガス１１を封入した封入管９と、封入管９の両端においてその内部に配置された第２放電電極（１ｂ，２ｂ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ）と第１放電電極（１ａ，２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ）を備えている。一対の放電電極の内、図８の左側の第１放電電極（１ａ，２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ）は、支持体としての広禁制帯幅半導体（ワイドギャップ半導体）基板１ａと、この広禁制帯幅半導体基板１ａの表面に形成されたエミッタとしての電子放出層２ａとを備えている。そして、広禁制帯幅半導体基板（エミッタ）１ａの表面には、広禁制帯幅半導体基板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基板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。同様に、広禁制帯幅半導体基板（エミッタ）１ａの裏面には、広禁制帯幅半導体基板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２５ａ，２６ａが選択的に形成されている。コンタクト膜２５ａ，２６ａの直下の広禁制帯幅半導体基板１ａの裏面近傍の領域には、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、この表面のコンタクト膜２３ａ，２４ａ及び裏面のコンタクト膜２５ａ，２６ａ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基板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と対向する広禁制帯幅半導体基板１ａの裏面のコンタクト膜２５ａ，２６ａに折れ曲がり部の角部をそれぞれ接触させ、この広禁制帯幅半導体基板１ａ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、広禁制帯幅半導体基板１ａからなるエミッタ（電子放出層）２ａに電流を供給するための陰極端子として機能している。

図８の右側の第２放電電極（１ｂ，２ｂ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ）も、支持体としての広禁制帯幅半導体（ワイドギャップ半導体）基板１ｂと、この広禁制帯幅半導体基板１ｂの表面に形成されたエミッタとしての電子放出層２ｂとを備えている。そして、広禁制帯幅半導体基板（エミッタ）１ｂの表面には、広禁制帯幅半導体基板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。同様に、広禁制帯幅半導体基板（エミッタ）１ｂの裏面には、広禁制帯幅半導体基板１ｂ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２５ｂ，２６ｂ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基板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、コンタクト膜２５ｂ，２６ｂの直下の広禁制帯幅半導体基板１ｂの裏面近傍の領域には、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。こうして、広禁制帯幅半導体基板１ｂに低いコンタクト抵抗で表面のコンタクト膜２３ｂ，２４ｂ及び裏面のコンタクト膜２５ｂ，２６ｂが、それぞれオーミックコンタクトする。そして、この表面のコンタクト膜２３ｂ，２４ｂ及び裏面のコンタクト膜２５ｂ，２６ｂ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基板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と対向する広禁制帯幅半導体基板１ｂの裏面のコンタクト膜２５ｂ，２６ｂに折れ曲がり部の角部をそれぞれ接触させ、この広禁制帯幅半導体基板１ｂ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、陽極端子として機能している。

図８に示す第１の実施の形態の変形例に係る放電灯の第１放電電極（１ａ，２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ）の電子放出層２ａも、図２及び図３に示したと同様な広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・を形成している。このため、広禁制帯幅半導体の表面のダングリングボンドの水素終端構造が、たとえ広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・の主面（上部端面）において脱離しても、電界による希ガスイオン衝突を受けにくい、第１放電電極主面近傍での電界に対して概ね平行をなす側壁構造を設け、この側壁（垂直側壁）の表面のダングリングボンドを水素終端しておくことで、寿命の長い高効率ＮＥＡ表面を維持することができる。更に、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・のＮＥＡ表面までの距離をイオン衝突が起こる場所の近傍に設けておくことで、生成した励起電子の外部への脱出を効率良く行わせることができる。これによって、電子の放出効率が低下せず、安定な陰極特性を示す。即ち、 広禁制帯幅半導体の水素終端表面での高い二次電子放出効率を活用して、陰極降下電圧を従来の金属陰極に比べて大幅に低減することができる。

（第２の実施の形態）
図９は、図１のＡ部に相当する、本発明の第２の実施の形態に係る放電灯の第１放電電極の電子放出層２ａを拡大して詳細に示す斜視図である。第２の実施の形態に係る放電灯の第１放電電極は、ダイヤモンド等の広禁制帯幅半導体基板１からなる陰極基体に、第１放電電極主面近傍での電界に対して概ね平行をなす側壁（垂直側壁）を有する細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・が設けられており、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・のそれぞれの側壁（垂直側壁）の表面のダングリングボンドに、水素３の終端が形成されている。他の放電灯の構造は、図１に示した第１の実施の形態に係る放電灯と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

図９に示す電子放出層２ａの構造をとることによって、図１に示すような第２放電電極と第１放電電極との間にかかる電界によって加速された希ガス１１のイオンが衝突する第１放電電極の電子放出層２ａの主面（上部端面）において、水素３によるダングリングボンドの終端が失われても、希ガス１１のイオンの衝撃を受けにくい細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・の側壁（垂直側壁）の表面の水素３によるダングリングボンドの終端が残留しているので、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・の側壁からの二次電子の放出が保持され、全体として電子放出効率の低下を防ぐことができる。

図９のＣ−Ｃ方向から見た断面図を図１０に示す。細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・のそれぞれの直径はＤであり、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・は、それぞれ互いに距離Ｔ離間している。第１放電電極の電子放出層２ａの主面となる広禁制帯幅半導体基板１の上部端面で受けたイオンによる生成電子が結晶内で移動しうる距離（平均自由行程λ）内に側壁までに到達するように、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・のそれぞれの間の距離Ｔを選ぶことで、放出障壁の小さい側壁部からの電子の脱出を効率良く促すことができる。例えば、細近接に位置する３つの細孔Ｈ_i,j，Ｈ_i,j+1，Ｈ_i+1,j、或いは３つの細孔Ｈ_i,j+1，Ｈ_i＋１,j，Ｈ_i+1,j+1等にそれぞれ内接する円の半径が生成電子の平均自由行程λ程度以下になるように、距離Ｔを選べば良い。第１の実施の形態で説明したように、広禁制帯幅半導体の一般的な電子の平均自由行程λは１〜１０μｍ程度であるので、細近接に位置する３つの細孔Ｈ_i,j，Ｈ_i,j+1，Ｈ_i+1,j、或いは３つの細孔Ｈ_i,j+1，Ｈ_i＋１,j，Ｈ_i+1,j+1等にそれぞれ内接する円の半径がλ＝１〜１０μｍ程度以下となるように、距離Ｔが選ばれていることが望ましい。

本発明の第２の実施の形態に係る第１放電電極によれば、放電灯に組み込まれた状態において、図９に示すように、第１放電電極主面近傍での電界に対して概ね平行をなす側壁の壁面のダングリングボンドを水素３で終端処理を施しているので、希ガスイオン衝突による水素脱離の確率が低減させられている。この結果、第２の実施の形態に係る電子放出層２ａは、寿命の長い高効率ＮＥＡ表面を維持することができる。

図１１を用いて、本発明の第２の実施の形態に係る第１放電電極の電子放出層２ａの製造方法を説明する。なお、以下に述べる電子放出層２ａ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。

（イ）まず、広禁制帯幅半導体基板１に図１１（ａ）に示すように、マスク層としてフォトレジスト３２を塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術により、細孔形成予定の形成の位置のフォトレジスト３２を除去するように、フォトレジスト３２をパターニングする。

（ロ）パターニングされたフォトレジスト３２を表面に有する広禁制帯幅半導体基板１
をエッチングチャンバーの内部に導入し、エッチングチャンバーの内部を真空排気する。そして、パターニングされたフォトレジスト３２をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、図１１（ｂ）に示すように、広禁制帯幅半導体基板１の表面を選択的に、エッチング除去し、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・開口する。

（ハ）更に、同一のエッチングチャンバーの内部で、ＲＩＥのエッチングガスの圧力を上げ、且つＲＦ放電のパワーを下げて、ケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）に近い条件にして、図１１（ｃ）に示すように、主面開口部よりも内部が広い逆テーパ状の細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・を形成する。逆テーパ状のエッチングに際し、ガス種を変更しても良い。

（ニ）その後エッチングチャンバーの内部を真空排気する。そして、このエッチングチャンバーの内部に水素ガスを導入し、広禁制帯幅半導体基板１の表面の全体を水素プラズマ処理する。水素プラズマ処理により、図１１（ｄ）に示すように、逆テーパ状の細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・の側面を含めて、広禁制帯幅半導体基板１の表面に水素吸着層３Ｌが形成され、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・の側面を含む広禁制帯幅半導体基板１の表面のダングリングボンドを水素３で終端する。

第１の実施の形態に係る第１放電電極と同様に、、上記の細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・の側面を含む広禁制帯幅半導体基板１の表面のダングリングボンドを水素３で終端する工程は、放電灯を構成する封入管９の内部に第１放電電極を組み込む直前、若しくは、放電灯を組み立てる工程の一部として実施しても良い。即ち、第１放電電極のみの単独の製品形態としては、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・の側面を含む広禁制帯幅半導体基板１の表面のダングリングボンドが水素３で終端されたものでも、水素３で終端されていないものでもどちらでも構わない。
第２の実施の形態に係る第１放電電極によれば、広禁制帯幅半導体基板１の上部端面の水素３によるダングリングボンドの終端構造が、希ガスイオンの衝突により、脱離しても、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・内の側壁の表面の水素３によるダングリングボンドの終端が維持できるので、寿命の長い高効率ＮＥＡ表面を維持することができる。且つ、細孔Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・・間相互の距離Ｔを、生成した励起電子が、そのＮＥＡ表面までに到達可能な距離に選定することにより、生成した励起電子の外部への脱出を効率良く行わせることができる。これによって、電子の放出効率が低下せず、安定な陰極特性を示す。

このため、第２の実施の形態に係る放電灯によれば、広禁制帯幅半導体表面の水素３によるダングリングボンドの終端を用いた高い二次電子放出効率を活用して、陰極降下電圧を従来の金属陰極に比べて大幅に低減することができる。

（第３の実施の形態）
図１２は、本発明の第３の実施の形態に係る放電灯の第１放電電極の電子放出層２ａを拡大して詳細に示す斜視図である（図１のＡ部参照。）。第３の実施の形態に係る放電灯の第１放電電極は、直径ｄの広禁制帯幅半導体粒子４がバインダー基板４５上に凝集した構造において、それぞれの広禁制帯幅半導体粒子４の表面のダングリングボンドが水素３により終端されている。

広禁制帯幅半導体粒子４の直径ｄは、広禁制帯幅半導体の電子の平均自由行程λの２倍程度以下に選ばれており、これにより、生成した励起電子が、そのＮＥＡ表面までに到達可能な距離に選定され、生成した励起電子の外部への脱出を効率良く行わせることができる。第１の実施の形態で述べたように、広禁制帯幅半導体の電子の平均自由行程λは、１〜１０μｍ程度であるので、広禁制帯幅半導体粒子４の直径ｄは、ｄ＝２〜２０μｍ程度以下にすれば良い。ここで、「直径ｄ」は、真球であれば一義的に定義できるが、一般的な３次元物体であれば、互いに直交する３軸の平均値で定義される平均直径ｄ_meanである。広禁制帯幅半導体粒子４が互いに直交する３軸の径ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃のを有せば：
ｄ_mean＝（ｄ₁＋ｄ₂＋ｄ₃）／３ ・・・・・・（６）
で与えられる。より一般的に、広禁制帯幅半導体粒子４が、ｎ個の径ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，・・・・・，ｄ_nを有する３次元物体であれば、ｎ個の径の平均値：
ｄ_mean＝（ｄ₁＋ｄ₂＋ｄ₃＋・・・・・＋ｄ_n）／ｎ ・・・・（７）
で平均直径ｄ_meanが定義される。なお、原理的には、ｎ個の径ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，・・・・・，ｄ_nの内の最小値が、広禁制帯幅半導体中の電子の平均自由行程λの２倍以下であれば、効果は期待できるが、効率を考えると、広禁制帯幅半導体粒子４の平均平均直径ｄ_meanが広禁制帯幅半導体中の電子の平均自由行程λの２倍以下であることが好ましい。

広禁制帯幅半導体粒子４は、単結晶の粒子であれば、広禁制帯幅半導体粒子４内で粒界による損失がなく、二次電子放出効率の向上に有効である。

図１３を用いて、本発明の第３の実施の形態に係る第１放電電極の電子放出層２ａの製造方法を説明する。なお、以下に述べる電子放出層２ａ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。

（イ）まず、図１３（ａ）に示すように、ダイヤモンド粒子等の広禁制帯幅半導体粒子４を適当なバインダー４３によって固める。このバインダー４３には炭素系ピッチや各種金属などが用いられる。

（ロ）次に、高温で加熱しながら、図１３（ｂ）に示すように、バインダー４３を適宜除去し、広禁制帯幅半導体粒子４を互いに接着（連結）させ、凝集させる。バインダー４３の一部を除去した結果、下部に板状に残留したバインダー４３がバインダー基板４５となる。凝集した広禁制帯幅半導体粒子４により、その隙間が多孔質の状態になる。この工程には酸によるエッチングやプラズマエッチングなどを用いることができる。

（ハ）そして、広禁制帯幅半導体粒子４の連結部以外において、露出している広禁制帯幅半導体粒子４の表面のダングリングボンドを水素３で終端処理し、広禁制帯幅半導体粒子４の表面をＮＥＡ化させば、図１２に示す第１放電電極の電子放出層２ａが完成する。

第１及び第２の実施の形態に係る第１放電電極と同様に、上記の広禁制帯幅半導体粒子４の表面のダングリングボンドを水素３で終端する工程は、放電灯を構成する封入管９の内部に第１放電電極を組み込む直前、若しくは、放電灯を組み立てる工程の一部として実施しても良い。即ち、第１放電電極のみの単独の製品形態としては、広禁制帯幅半導体粒子４の表面のダングリングボンドが水素３で終端されたものでも、水素３で終端されていないものでもどちらでも構わない。

なお、直径ｄ＝２〜２０μｍ程度以下の広禁制帯幅半導体粒子４は、音響エネルギ、静電気エネルギ、空力エネルギ、プラズマエネルギ、又は組み合わせ型のようなエネルギ源によって種となる広禁制帯幅半導体の細粒を縦型のＣＶＤ炉の内部で浮揚させて、これらの広禁制帯幅半導体の細粒を落下させながら、ＣＶＤ成長すれば良い。例えば、ダイヤモンド粒子のＣＶＤの場合は、８５０℃程度に加熱した種（ダイヤモンドの細粒）を縦型のＣＶＤ炉の内部で浮揚・落下させながら、ソースガスとしてメタン（ＣＨ₄）ガスを、キャリアガスとしての水素（Ｈ₂）ガスと共に供給すれば、直径ｄ＝２〜２０μｍ程度以下のダイヤモンド粒子４の単結晶が得られる。

本発明の第３の実施の形態に係る第１放電電極の電子放出層２ａは、広禁制帯幅半導体粒子４を凝集した構造であるので、放電灯に組み込まれた状態において、たとえ第１放電電極の電子放出層２ａの主面となる位置の広禁制帯幅半導体粒子４において水素終端が、脱離しても、凝集構造の奥に位置し、電界による希ガスイオン衝突を受けにくい広禁制帯幅半導体粒子４の表面のダングリングボンドの水素終端は、維持できるので、寿命の長い高効率ＮＥＡ表面を維持することができる。

更に、本発明の第３の実施の形態に係る電子放出層２ａでは、広禁制帯幅半導体粒子４の直径ｄを広禁制帯幅半導体の電子の平均自由行程λの２倍程度以下に選んでいるので、生成した励起電子の外部への脱出を効率良く行わせることができる。これによって、電子の放出効率が低下せず、安定な陰極特性を示す。

即ち、本発明の第３の実施の形態に係る放電灯によれば、広禁制帯幅半導体粒子４の表面のダングリングボンドの水素終端による高い二次電子放出効率を活用して、陰極降下電圧を従来の金属陰極に比べて大幅に低減することができる。

（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。

例えば、図１４に示されるような外部電極型の放電灯の電子放出層２に、第１〜第３の実施の形態によって説明した電子放出層の構造が採用可能である。即ち、図１４に示すように、封入管９と、その内面に形成された円筒状の広禁制帯幅半導体膜からなる電子放出層２と、この電子放出層２上に形成された円筒状の蛍光膜１０を塗布した封入管９と、封入管９の両端外面に取り付けられた円筒状の第１放電電極５ａ及び第２放電電極５ｂとを有して放電灯を構成しても良い。図１４の広禁制帯幅半導体膜からなる電子放出層２は、例えば、膜厚１．５〜５μｍ、好ましくは２〜４μｍ程度のダイヤモンド膜等が使用可能である。詳細の構造は、図１〜図３に示したと同様であるので、図示を省略するが、第１の実施の形態で説明したように、電子放出層２の表面には、縦横にマトリクス状に走行する溝で分離された広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・を形成され、これらの広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,jの側壁に露出した広禁制帯幅半導体膜の表面のダングリングボンドが水素３で終端されて、電子放出層２をなしている。

第１放電電極５ａ及び第２放電電極５ｂのそれぞれは、Ｗ（タングステン）等の高融点金属が好ましい。封入管９の内部２には放電ガス１１が封入されている。例えば、封入管９内には放電を容易にするために水素（Ｈ₂）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガス又は混合希ガスが８ｋＰａの圧力で封止されている。混合希ガスとしては、例えば、Ａｒ、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）から選ばれるガスの混合ガス等が採用可能である。水素ガスの分圧は、例えば、０．４ｋＰａである。封入管９の両端部には、放電ガス１１を封入し、封入管９を封止し易くするために、電子放出層２は設けられていない。

図１４に示すように、封入管９を介して第１放電電極５ａ及び第２放電電極５ｂと対向する封入管９内面部分に、それぞれ電子放出層２が形成されている。ダイヤモンド膜等の広禁制帯幅半導体は電子放出効率が高い材料であり、放電ガス１１中の水素がその表面に終端することにより多量の電子を放電空間に放出して放電を維持する役割を担う。そして、第１放電電極５ａ及び第２放電電極５ｂ間に周波数４０ｋＨｚ、１５００Ｖ程度の高周波電圧を印加する。第１放電電極５ａ及び第２放電電極５ｂの片方がエミッタ（陰極）として作用するときは他方は対極電極（陽極）として作用する。この高周波電圧の印加により、封入管９の内部の空間において強電界が生じ、この強電界により電子放出層２の表面から電子が放出される。このとき、放電ガス１１中の水素が電子放出層２の表面に終端することにより、電子を効率良く放電空間に放出させることが可能である。放出された電子は対極電極（陽極）側に移動し、放電が開始する。

即ち、本発明の他の実施の形態に係る放電灯においては、封入管９を介して第１放電電極５ａに対向する電子放出層２の主面近傍で、強電界により加速されたイオンがこの電子放出層２の表面（上部端面）に衝突することによって、上部端面のダングリングボンドを終端している水素３の脱離が生じても、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の壁面には水素終端が残留し、全体としてイオン衝突による水素脱離の確率小さくなっている。水素３の脱離がしにくくなっているので、広禁制帯幅半導体柱Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・の壁面の電子親和力χを低いままに維持でき、電子が放出し易い状態が維持できる。又、衝突するイオンのポテンシャルエネルギを元にしたオージェ中和過程による外部への二次電子放出も効率良く行える。

図１４においては、封入管９の内部において、第１放電電極５ａに対向する位置から第２放電電極５ｂと対向する位置まで連続して電子放出層２が形成されているが、基本的には、第１放電電極５ａ及び第２放電電極５ｂと対向する封入管９内面部分に、それぞれ電子放出層２が形成されていれば良いので、蛍光膜１０の位置で分離された２つの電子放出層２として構成しても良い。又、図１４に示すように、円筒状の電子放出層２の内側に、円筒状の蛍光膜１０が塗布された２層構造である必要はなく、両側に分離された２つの電子放出層２の間の封入管９内面部分に直接蛍光膜１０を塗布した構造でも構わない。

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。

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（ａ）は、図１の左側に示す第１放電電極のＡ部に位置する電子放出層２ａを拡大して示す斜視図で、図２（ｂ）は、図２（ａ）を模式化して直方体の形状にして示す斜視図である。 図２（ｂ）の直方体柱Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，のそれぞれの中心を切る断面に沿った断面図である。 広禁制帯幅半導体からなる第１放電電極からの電子放出機構を示したバンド図で、図４（ａ）は、電子親和力χが負の場合、図４（ｂ）は電子親和力χが正の場合を示す。 第１の実施の形態に係る第１放電電極の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る第１放電電極の電子放出層を拡大して示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の他の変形例に係る第１放電電極の電子放出層を拡大して示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の更に他の変形例に係る放電灯を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る第１放電電極の電子放出層を拡大して示す斜視図である。 図９のＣ−Ｃ方向から見た断面図である。 第２の実施の形態に係る第１放電電極の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る第１放電電極の電子放出層を拡大して示す断面図である。 第３の実施の形態に係る第１放電電極の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る外部電極型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…広禁制帯幅半導体基板
２，２ａ，２ｂ…電子放出層
３…水素
３Ｌ…水素吸着層
４…広禁制帯幅半導体粒子
５ａ…第１放電電極
５ｂ…第２放電電極
９…封入管
１０…蛍光膜
１１…希ガス（放電ガス）
１１ａ，１１ｂ…裏面電極
１２ａ，１２ｂ…高融点金属板
１３ａ，１３ｂ…高融点金属棒
１４ａ，１４ｂ…封着金属棒
２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂ…ステムリード
２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ…コンタクト膜
３１…懸濁樹脂
３２…フォトレジスト
４３…バインダー
４５…バインダー基板
Ｈ_i-1,j，・・・・・，Ｈ_i,j，・・・・・，Ｈ_i+2,j，・・・・…細孔
Ｒ_i-1,j-2，Ｒ_i-1,j-1，Ｒ_i-1,j，Ｒ_i-1,j+1，・・・・・，Ｒ_i,j-2，Ｒ_i,j-1，Ｒ_i,j，Ｒ_i,j+1，・・・・・…広禁制帯幅半導体柱（直方体柱）
Ｒ_j-1，Ｒ_j，Ｒ_j+1，・・・・・…リッジ
Ｘ_i,j-1，Ｘ_i,j，Ｘ_i,j+1，Ｘ_i,j+2，…粒子

Claims (12)

1. 放電ガスを封入した封入管中に放電電極を備えた放電灯であって、
   前記放電電極は、平坦な上面を有する広禁制帯幅半導体基板を、前記上面から内部方向に向かって形成された前記広禁制帯幅半導体基板の厚さよりも浅い溝部により、前記上面に垂直方向の断面で見た場合、複数の凸部に分離して構成した電子放出層を備え、
   前記凸部は、
   前記広禁制帯幅半導体基板の上面をなす上部端面と、
   前記溝部の側壁をなし、前記上部端面の垂直方向から見えない面となる側壁
   とを備え、前記上部端面及び前記側壁に露出した前記広禁制帯幅半導体の表面のダングリングボンドが水素終端されていることを特徴とする放電灯。
2. 前記複数の凸部のそれぞれの前記側壁が互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載の放電灯。
3. 縦横にマトリクス状に走行する前記溝により、前記複数の凸部が互いに分離されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の放電灯。
4. ３次元空間において鳥瞰した場合、前記複数の凸部のそれぞれの前記上部端面が互いに連続した面をなすことを特徴とする請求項１に記載の放電灯。
5. 前記溝が、前記上面から内部方向に向かって形成された互いに独立した非貫通孔であることを特徴とする請求項４に記載の放電灯。
6. 前記上部端面上における前記凸部の平均幅が、前記広禁制帯幅半導体中の電子の平均自由行程の２倍以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放電灯。
7. 平坦な上面を有する広禁制帯幅半導体基板を、前記上面から内部方向に向かって形成された前記広禁制帯幅半導体基板の厚さよりも浅い溝部により、前記上面に垂直方向の断面で見た場合、複数の凸部に分離して構成した電子放出層を備え、
   前記凸部は、
   前記広禁制帯幅半導体基板の上面をなす上部端面と、
   前記溝部の側壁をなし、前記上部端面の垂直方向から見えない面となる側壁
   とを備え、前記上部端面及び前記側壁において、前記広禁制帯幅半導体の表面のダングリングボンドが水素終端可能であることを特徴とする放電電極。
8. 前記複数の凸部のそれぞれの前記側壁が互いに平行であることを特徴とする請求項７に記載の放電電極。
9. 縦横にマトリクス状に走行する前記溝により、前記複数の凸部が互いに分離されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の放電電極。
10. ３次元空間において鳥瞰した場合、前記複数の凸部のそれぞれの前記上部端面が互いに連続した面をなすことを特徴とする請求項７に記載の放電電極。
11. 前記溝が、前記上面から内部方向に向かって形成された互いに独立した非貫通孔であることを特徴とする請求項１０に記載の放電電極。
12. 前記上部端面上における前記凸部の平均幅が、前記広禁制帯幅半導体中の電子の平均自由行程の２倍以下であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の放電電極。

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