JP4176760B2 - 放電発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、陰極を用いて放電により発光する放電発光デバイスに関するものである。

従来、放電発光デバイスは、高圧ガスの放電を利用する高圧ガス放電ランプ（例えば、特許文献１）と、低圧ガスの放電を利用する放電灯（例えば、特許文献２）が知られている。

近年では、高圧ガス放電ランプは、自動車前照灯や液晶プロジェクター用などに広く用いられている。また、放電灯は、液晶用バックライト光源としての需要が拡大している。

特開平６−２０３８０５号公報 特開２００５−１０８５６４号公報

しかしながら、高圧ガス放電ランプは、ランプ内の水銀を蒸発させるので、ランプ内の温度を１０００℃程度まで上昇させる必要がある。また、高圧ガス放電ランプは、陰極から熱電子放出が行われるアーク放電を利用している。このため、高圧ガス放電ランプ内の陰極表面は、熱電子放出が生じることで２０００〜３０００℃程度の高温となる。そこで、例えば、ＨＩＤランプでは、高温と化学的に厳しい環境のため、陰極物質の蒸発を生じ、蒸発した陰極物質がＨＩＤランプの内壁に付着し、ランプ効率が次第に低下するという問題が生じる。

また、低圧ガスの放電を利用する放電灯では、イオンによる二次電子放出が行われている。このような放電灯では、陰極の劣化が寿命を制限し、さらに陰極の電子放出効率が全体の発光効率を左右している。このため、放電灯では、陰極の劣化の低減や陰極の電子放出効率の向上が要求されている。

そこで、陰極での電子放出効率を上げるためには、イオンによる二次電子放出より放出効率の高い電子放出機構である熱電子放出を用いればよい。しかしながら、このような熱陰極放電灯はバックライト用等の光源に使用されていない。これは、熱陰極放電灯には、主に、加熱フィラメントが必要であり、細径化できないという問題があるためである。また、熱陰極放電灯は、副次的には細径化できたとしても、加熱フィラメントに塗布するＢａＯ等の仕事関数の小さな酸化物熱冷陰極材料がイオンによるスパッタリングにより消耗するため長寿命化が困難であるという問題が生じる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に記載の放電発光デバイスは、放電用ガスが封入された外囲器と、前記外囲器内に設けられ該外囲器内に放電を生じさせる一対の電極と、を具備し、前記電極のうち一方の電極は、導電性を有する基材と、該基材上に設けられたｎ型の半導体層と、該ｎ型の半導体層上に設けられたｐ型のワイドギャップ半導体層とで構成されていることを特徴とする。

また、本発明に記載の放電発光デバイスは、放電用ガスが封入された外囲器と、前記外囲器内に設けられ該外囲器内に放電を生じさせる一対の電極と、を具備し、前記一対の電極は、導電性を有する基材と、該基材上に設けられたｎ型の半導体層と、該ｎ型の半導体層の一部を露出するように該ｎ型の半導体層上に設けられたｐ型のワイドギャップ半導体層とで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ｐ型の半導体層とｎ型の半導体層とで形成されたｐｎ接合が放電時に順バイアスされることを利用してｐ型の半導体層から電子を放出し、大きな放電電流を流すことを可能にする。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る放電発光デバイスの最良な実施の形態を詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。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。また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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る放電発光デバイス１００の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように第１の実施の形態に係る放電発光デバイス１００は、外囲器１０１と、外囲器１０１内に封入された放電用ガス１０７と、外囲器１０１内に設けられた陽極１０３及び陰極１０２と、陽極１０３及び陰極１０２のそれぞれに接続された電極部材１１４と、電極部材１１４に接続されたモリブデン箔１０４と、モリブデン箔１０４に接続された引き出しリード１０５と、を備えている。また、引き出しリード１０５は図示しない電源にそれぞれ接続されている。

外囲器１０１は陽極１０３と、陰極１０２とを内部に収容し、放電用ガス１０７を封入でき、光を透過する透過性を有する材料であれば特に限定されないが、１０００℃以上の高融点を備える材料で構成されていることが好ましい。これは、外囲器１０１内の放電用１０７ガスに微量の水銀１０６が含まれている場合は、水銀１０６を外囲器１０１内で蒸発させる必要がある。水銀１０６の蒸発は、外囲器１０１自体を高温下（例えば１０００℃）の環境下において行うため、放電発光デバイス１００の製造上、１０００℃以上の高融点を備えた材料を用いることが好ましい。なお、本実施の形態では、外囲器１０１として、中空管状の密閉構造体で構成された透明性を有する石英管を用いた例を示す。

放電用ガス１０７は、例えば、不活性ガス中に微量の水銀１０６が含まれた混合ガスで構成されている。不活性ガス中に含まれる水銀１０６は、水銀発光を可能とすると共に、ランプ電圧抵抗付加を目的として用いられる。ランプ電圧抵抗付加について詳しく説明する。水銀１０６は、陽極１０３と陰極１０２との間に高圧パルスが印加され、アーク放電が起こると、温度の上昇と共に外囲器１０１内の水銀１０６の蒸気圧が上昇する。これによりランプ電圧が上昇するので、ランプ電力が増加するとともに放電発光デバイス１００の光量が増加する。そして、所定のランプ電力に到達すると、光量は安定する。

ここでいう不活性ガスとは、例えば、ヘリウムガス（Ｈｅ）、ネオンガス（Ｎｅ）、アルゴンガス（Ａｒ）、クリプトンガス（Ｋｒ）、キセノンガス（Ｘｅ）、ラドンガス（Ｒｎ）等が挙げられる。なお、本実施の形態では、アルゴンガス(Ａｒ)に微量のハロゲンガスを加えた例を示す。アルゴンガスは放電の始動性の向上し、ハロゲンガスはランプ黒化抑制及び失透抑制させる効果の向上を目的に用いられる。

陽極１０３は、導電性を有する金属材料であればよく、本実施の形態ではタングステンを用いた例を示す。そして、陽極１０３と、後述する陰極１０２に高圧パルスを印加すると、陰極１０２と陽極１０３との間の絶縁が破壊されて、外囲器１０１内の陰極１０２と陽極１０３の間で放電が開始される。また、陽極１０３の形状は、特に、制限されることなく、例えば、棒状、板状、環状、渦巻状、あるいは櫛形状など種々の形状とすることができる。

陰極１０２は、導電性基材１１３と、導電性基材１１３上に設けられたｎ型の半導体層１１２と、ｎ型の半導体層１１２上に設けられたｐ型の半導体層１１１と、で構成されており、ｎ型の半導体層１１２及びｐ型の半導体層１１１で、ｐｎ接合を形成している。また、陰極１０２は、放電用ガス１０７を含む放電空間を介して陽極１０３と対向して配置されている。また、陰極１０２は、順方向にバイアスされることでｐ型の半導体層１１１から電子を放出する。なお、この電子を放出するメカニズムは後述する。

なお、ここでいう放電空間とは、外囲器１０１内部で、陰極１０２及び陽極１０３の間に高圧パルスを印加することで放電される空間を示している。

導電性基材１１３は、導電性を有する金属材料であればよく、１０００℃以上の高融点を有する金属材料で構成されていることが好ましい。これは、導電性基材１１３上にｎ型の半導体層層１１２、及び、ｐ型の半導体層１１１を形成する際に、高温下（例えば、８００℃）で製造される場合が多く、ｎ型の半導体層１１２、及び、ｐ型の半導体層１１１を形成する際の導電性基材１１３の融解、変形等を防止するためである。このような１０００℃以上の融点を有する金属としては、例えば、モリブデン又はタングステン等が挙げられる。なお、本実施の形態に係る導電性基材１１３は、モリブデンを用いた例を説明する。

また、導電性基材１１３は、ｎ型の半導体層１１２、及びｐ型の半導体層１１１が形成可能な形状であればよく、例えば円柱形状を有している。

ｎ型の半導体層１１２は、導電性基材１１３の表面に設けられている。ｎ型の半導体層１１２は、ｎ型の導電性を有し、後述するｐ型の半導体層１１１を形成可能な材料であれば特に限定されない。本実施の形態のｎ型の半導体層１１２は、不純物としてリン（Ｐ）をドープしたｎ型のダイヤモンド層を用いた例を示す。

ｐ型の半導体層１１１は、ｎ型の半導体層１１２の表面に設けられている。また、ｐ型の半導体層１１１は、電子親和力が負もしくは正であっても小さい値であるワイドギャップ半導体で構成されていることが好ましい。ここでいうワイドギャップ半導体とは、炭化シリコン、窒化ガリウム、ダイヤモンド等が挙げられる。これらのワイドギャップ半導体のうち、より好ましくは、ダイヤモンドを用いる。なお、本実施の形態に係るｐ型の半導体層１１１は、不純物としてホウ素（Ｂ）をドープしたｐ型のダイヤモンド層を用いた例を示す。このｐ型の半導体層１１１であるｐ型のダイヤモンド層は、順方向のバイアスがかかった場合、表面から電子を放出する性質を備えている。

図２は、放電始動開始後の陰極１０２と陽極１０３の間の状態を模式的に示した断面図である。図２に示すように、図示しない電源から陽極１０３、陰極１０２間に正の高圧パルスを印加すると、陰極１０２と陽極１０３との間の絶縁状態が破壊されて放電が開始される。そして、放電により電離した正電荷のアルゴンイオンが、ｐ型の半導体層１１１に衝突することで、自由電子による２次電子放出が生じる。これにより、ｐ型の半導体層１１１の表面は正に帯電する。そして、このような２次電子放出が行われる度に、ｐ型の半導体層１１１の表面に正電荷が蓄積される。これにより、ｐ型の半導体層１１１とｎ型の半導体層１１２との間の電圧が増加していくこととなる。

ｐ型の半導体層１１１としてｐ型のダイヤモンド層を、ｎ型の半導体層１１２としてｎ型のダイヤモンド層を用いた場合、ｐ型のダイヤモンド層とｎ型のダイヤモンド層の拡散電位差は約５ｅＶであると言われている。従って、ｐ型の半導体層１１１とｎ型の半導体層１１２との間に５Ｖ以上の電圧が印加されると電流が流れる。

図３は、放電開始から一定時間経過後の陰極１０２と陽極１０３との間の状態を模式的に示した断面図である。図３に示すように、ｐ型の半導体層１１１の表面に蓄積された正電荷により、ｐ型の半導体層１１１とｎ型の半導体層１１２からなるｐｎ接合は順方向にバイアスされる。そして、順バイアスされたｐｎ接合において所定の電圧が印加された場合、接合を超えて順方向電流が流れる。

また、ｎ型の半導体層１１２は、ｐ型の半導体層１１１より高濃度で不純物をドープされていることが好ましい。これは、ｎ型の半導体層１１２をｐ型の半導体層１１１より高濃度で不純物をドープすることで、ｎ型の半導体層１１２からｐ型の半導体層１１１に２次電子放出のための自由電子をより多く供給することができ、上述した順方向電流を上げることができる。本実施の形態の陰極１０２は、ｎ型のダイヤモンド層をｐ型のダイヤモンド層より高濃度でドープしたダイヤモンド層を用いている。これにより、本実施の形態に係る陰極１０２は、ｎ型の半導体層１１２からｐ型の半導体層１１１に、より多くの電子を注入することが可能となる。

このｐ型の半導体層１１１に注入された電子は、拡散によりｐ型の半導体層１１１表面へ到達する。到達した電子のうち一部は表面に蓄積された正電荷を中和し、残りは、ｐ型の半導体層１１１表面から放電空間へと放出される。

そして、ｐ型の半導体層１１１の表面に到達した電子が、表面から放電空間へ放出されるには、ｐ型の半導体層１１１の電子親和力が負もしくは正であっても小さい値であるワイドギャップ半導体で構成されていることが好ましい。電子親和力が小さいとは、ｐ型の半導体層１１１の伝導帯の底より低い位置に真空準位が存在していることを示している。つまり、ｎ型の半導体層１１２からｐ型の半導体層１１１の伝導帯に注入された電子は、電子親和力が小さい場合には、ｐ型の半導体層１１１の表面と放電空間との間の障壁に妨げられないために、放電空間に容易に放出される。また、注入された電子は、ｐ型の半導体層１１１の表面と放電空間との間の障壁がごく小さいため、放電空間に容易に放出される。

ｐ型の半導体層１１１の電子親和力が小さい材料としては、本実施の形態で示したようなワイドギャップ半導体であるｐ型のダイヤモンドを用いることが好ましい。これにより、前述したように、放電空間に容易に電子を放出することができる。

そして、ｐ型の半導体層１１１から電子を放出させるためには、ｐ型の半導体層１１１とｎ型の半導体層１１２との間に順バイアス電圧が印加される必要がある。つまり、電子放出面であるｐ型の半導体層１１１の表面には、正の電圧が印加される必要がある。

順バイアス電圧を印加する方法としては、ｐ型の半導体層１１１に直接、電極を接続して順バイアス電圧を印加する方法がある。しかしながら、このｐ型の半導体層１１１に直接、電極と接続した場合、この電極がｐ型の半導体層１１１から放電空間に放出される際の障壁となって、高い電子放出効率が得ることができない。つまり、ｐ型の半導体層１１１に電極を接続せずに、順バイアス電圧を印加する必要がある。

そこで、本実施の形態では、陽極１０３、陰極１０２間に正の高圧パルスを印加するこで、発生した正電荷のアルゴンイオンが、ｐ型の半導体層１１１に衝突し、自由電子による２次電子放出が発生するため、ｐ型の半導体層１１１の表面は正に帯電する。

つまり、電極なしでｐ型の半導体層１１１を順方向にバイアスされることを可能としている。そして、本実施の形態に係る陰極１０２は、ｐ型の半導体層１１１の表面の正の帯電により、ｐ型の半導体層１１１とｎ型の半導体層１１２との間に所定の電圧（ｐ型の半導体層１１１、及び、ｎ型の半導体層１１２が共にダイヤモンドで構成されている場合は５ｖ以上の電圧）が印加された場合に、陰極１０２に電流が流れ始める。よって、ｎ型の半導体層１１２からｐ型の半導体層１１１に電子が注入される。この状態は正イオンの入射によるｐ型の半導体層１１１表面の正の帯電と、ｐ型半導体層１１１に注入され表面に到達した一部の電子がこれを中和するバランスで決まるところで平衡に達し、放電が維持される。

本実施の形態の放電発光デバイス１００では、ｐ型の半導体層１１１には、直接、電極が接続されていないので、注入された電子が放電空間に放出される際の障壁が存在しない。また、ｐ型の半導体層１１１表面の電圧を低下させる要因も存在しない。つまり、注入された電子が、放電空間に容易に放出されることとなる。したがって、本実施の形態の放電発光デバイス１００は、高い電子放出効率を得ることができる。

また、ｐ型の半導体層１１１の高い電子放出効率により放電開始電圧及び放電維持電圧が低下し、発光に必要な電力を減らすことができるため、発光効率が向上することになる。

また、本実施の形態に係る放電発光デバイス１００は、従来の放電発光デバイスより低い温度で大きな放電電流を流すことを可能としている。つまり、放電発光デバイス１００は、低温の安定した環境で動作させることを可能としたので、より長寿命を実現することができる。

次に、本実施の形態の陰極１０２の製造プロセスの一例について説明する。最初に、導電性基材１１３として棒状のモリブデン棒を用意し、このモリブデン棒の一方の面に、ｎ型の半導体層１１２として、５μｍ程度の厚みのｎ型のダイヤモンド層を形成する。この形成方法はどのような方法を用いても良いが、本実施の形態では、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用い、マイクロ波パワーを１．５ｋｗ、水素流量を２００ｓｃｃｍ、メタンガス流量を４ｓｃｃｍとし、原料ガスのメタン濃度は２％、原料ガスの圧力を８０Ｔｏｒｒとした。そして、モリブデン棒を８５０℃に加熱した。また、ｎ型の半導体層１１２のドーパントにはリン（Ｐ）を用い、ダイヤモンド層成長時にＰＨ₃ガスを同時に供給した。このようにして、導電性基材１１３上に、ｎ型のダイヤモンド層１１２を形成した。

上述したように本実施の形態では、ｎ型の半導体層１１２としてリン（Ｐ）をドープしたダイヤモンド層を形成している。なお、リンをドープしたダイヤモンドは室温では抵抗が高く、大きな電流を流すことができない。しかしながら、本実施の形態においては、陰極１０２及び陽極１０３への高圧パルスの印加時には、放電電流が流れるため、ｎ型のダイヤモンド層が加熱される。これにより、ｎ型のダイヤモンド層の温度が上昇し、抵抗が徐々に低下する。つまり、加熱によりｎ型のダイヤモンド層は、大きな電流を流すことができる特性に変化する。これにより、リンをドープしたダイヤモンド層であっても大きな電流を流すことが可能となる。

そして、導電性基材１１３上に、ｎ型の半導体層１１２を形成した後、ｐ型の半導体層１１１として１μｍ程度の厚みのｐ型のダイヤモンド層を形成する。このダイヤモンド層を形成する方法として、例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いる。このマイクロ波プラズマＣＶＤ法は、ｐ型のドーパントとしてホウ素（Ｂ）を用い、ダイヤモンド層成長時にＢ₂Ｈ₆のガスを同時に供給する。他の条件は、上述したｎ型のダイヤモンド層を形成する条件と同じとする。

また、本実施の形態に係る放電発光デバイス１００として、導電性基材１１３と、導電性基材１１３上に設けられたｎ型の半導体層１１２と、ｎ型の半導体層１１２上に設けられたｐ型の半導体層１１１とで構成されており、ｎ型の半導体層１１２と、ｐ型の半導体層１１１とで、ｐｎ接合が形成された陰極１０２に用いた場合を説明した。本実施の形態の放電発光デバイス１００は、例えば、ＨＩＤ（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）ランプ等の高圧ガス放電ランプに用いることができる。

また、本実施の形態は、高圧の放電発光デバイスに制限するものではなく、あらゆる放電発光デバイスに用いることができる。例えば、低圧の熱陰極放電灯に、上記の陰極を含む放電発光デバイスを用いることができる。

以上、説明した本実施の形態に係る放電発光デバイス１００は、ｎ型の半導体層１１２と、ｐ型の半導体層１１１とでｐｎ接合を構成しており、放電によりｐ型の半導体層１１１に正電荷が蓄積されるので、ｐｎ接合が順バイアスされることを可能とした。また、ｐ型の半導体層１１１の表面は、電圧を印加するために被覆する構成など、放電の障壁となる構成を備えていない。これにより、ｐ型の半導体層１１１から大きな電子放出電流を流すことができる。また、電子を放出するｐ型の半導体層１１１の材料としてダイヤモンドを用いた場合、より高い化学的安定性と大きなスパッタリング耐性を得ることができる。これにより、高い放電効率で長寿命の放電ランプ光源を実現することができた。

（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る放電発光デバイス５００の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、上述した第１の実施の形態に係る陰極１０２と構成が異なる陰極５０１を備え、また、放電用ガス１０７とは成分が異なる放電用ガス５０２を備えた点が異なるのみで、その他は第１の実施の形態と同様なため説明を省略する。

封入ガス５０２は、上述した第１の実施の形態と同様に不活性ガスであるアルゴンガス（Ａｒ）と微量のハロゲンガスを含み、さらに微量の水素を含むものとする。なお、水素を含む理由については後述する。

陰極５０１は、導電性基材１１３と、導電性基材１１３上に設けられたｎ型の半導体層１１２と、ｎ型の半導体層１１２上に設けられたｐ型の半導体層５１１と、ｐ型の半導体層５１１とｎ型の半導体層１１２との接合部を被膜する絶縁体層５１２と、から構成されており、ｎ型半導体層１１２と、ｐ型半導体層５１１とで、ｐｎ接合を形成している。また、ｐ型の半導体層５１１の表面は水素終端されている。

ｐ型の半導体層５１１は、第１の実施の形態に係るｐ型の半導体層１１１とは、形状が異なり、さらに水素終端されている点が異なる。ｐ型の半導体層５１１が、ｐ型の半導体層１１１と形状が異なるのは、ｎ型の半導体層１１２との接合部を絶縁体層５１２で被覆するためである。つまり、ｐ型の半導体層５１１は、当該接合部を絶縁体層５１２で被覆できればいかなる形状でも良い。

絶縁体層５１２は、ｐ型の半導体層５１１とｎ型の半導体層１１２の接合部を被覆している。これにより、水素終端されたｐ型の半導体層５１１とｎ型の半導体層１１２とのｐｎ接合の短絡を防止することができる。また、絶縁体層５１２の材料は、絶縁性を有する材料であることが好ましい。また、本実施の形態は、絶縁体層５１２の材料としてＳｉＯ₂を用いた例を示す。

図５は、第２の実施の形態の放電発光デバイス５００を説明するための、模式的に示した本実施の形態とは異なる他の実施の形態に係る陽極１０３、陰極６０１を示す断面図である。陰極６０１は、導電性基材１１３と、導電性基材１１３上に設けられたｎ型の半導体層１１２と、ｎ型の半導体層１１２上に設けられたｐ型の半導体層６１１と、から構成され、ｐ型の半導体層６１１の表面は水素終端されている。このように、ｐ型の半導体層６１１の表面が水素終端されることによって、電子親和力が低下し、負性電子親和力を有することになる。

図５で示した他の実施の形態では、微量の水素を含む放電用ガス５０２が、図示しない外囲器１０１に封入されている。そのため、高圧パルスの印加時の放電プラズマで、ｐ型の半導体層６１１の表面は水素終端が形成されて維持される。これにより、陰極６０１の電子放出特性はさらに向上する。しかしながら、ダイヤモンド表面を水素終端すると表面に厚さが薄いものの、導電性が高い表面伝導層が生じる。この表面伝達層は、放電空間に露出しているｐｎ接合の接合部にも生じる。そして、この表面伝達層により、図中矢印で示すリークパスが生じる。これにより、ｐｎ接合が短絡して、順バイアス電圧が加わらなくなる。つまり、ｐｎ接合の結合部に表面伝導層が形成されるのを防止する必要がある。

図６は、本実施の形態に係る陽極１０３と、放電用ガス５０２と、陰極５０１と、を模式的に示した断面図である。図６に示す陰極５０１のｐ型の半導体層５１１は、表面が水素終端されている。そして、絶縁体層５１２は、ｎ型の半導体層１１２とｐ型の半導体層５１１の接合部を被覆している。これにより、絶縁体層５１２は、当該接合部で水素終端を形成されることを防止する。つまり、ｎ型の半導体層１１２とｐ型の半導体層５１１との接合部に導電性が高い表面伝導層が生成されることを防止できる。

つまり、水素を含む放電用ガス５０２中で放電発生させた場合、水素プラズマにさらされることでｐ型の半導体層５１１は、表面に水素終端が形成される。しかし、接合部は、絶縁体層５１２で被覆されているので、水素終端が形成されない。つまり、ｐｎ接合の短絡を防止することができると共に、電子放出特性をさらに向上することができる。

図７は、本実施の形態に係る放電発光デバイス５００が備える陰極５０１の製造プロセスを示した説明図である。

まず、図７の（ａ）に示すように、例えば、モリブデン素材を加工した導電性基材１１３の上にｎ型の半導体層１１２を形成する。詳しくは、例えば、棒状の一方の面にＣＶＤ法により、例えば、５μｍの厚みのｎ型のダイヤモンドの層を形成する。

次に、図７の（ｂ）に示すように、ｎ型のダイヤモンド層の上に、ｐ型の半導体層５１１として、例えば、ＣＶＤ法により１μｍの厚みのｐ型の多結晶ダイヤモンド層を形成し、形成したｐ型の多結晶ダイヤモンド層の端部を、Ｏ₂をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)をエッチングする。これにより、端部が除去されたｐ型の半導体層５１１が形成される。なお、ドープする不純物は、第１の実施の形態のｐ型のダイヤモンド層１１１と同様にホウ素（Ｂ）で行っている。

そして、図７の（ｃ）に示すように反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)したｐ型の半導体層５１１の端部、すなわち、ｎ型の半導体層１１２とｐ型の半導体層５１１との接合部を絶縁体層５１２で被覆する。絶縁体層５１２で被覆にあたっては、例えば、ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ₂層を形成し、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)したｐ型の半導体層５１１の端部の部分を残してＳｉＯ₂層をエッチング除去して、絶縁体層５１２を形成させる。これにより、陰極５０１が製造される。

本実施の形態に係る放電発光デバイス５００は、ｐｎ接合の接合部で放電空間に露出する部分が絶縁されているため、ｐｎ接合の短絡を生じさせることなく、放電用ガス５０２に含まれた微量の水素により、ｐ型の半導体層５１１の表面を水素終端することを可能とした。これにより、水素終端された負性電子親和力を備えるｐ型の半導体層５１１表面を電子放出面として用いることができる。そして、ｐ型の半導体層５１１から放電空間へ放出される際の障壁がさらに小さくなるために、さらに高い放電効率を実現することができる。

（第３の実施の形態）
上述した第１及び第２の実施の形態に係る放電発光デバイスに用いられる陰極は、電子を放出するのみで、電子を受け取ることができないため、直流に制限される。そこで、第３の実施の形態では交流で使用可能な放電発光デバイスを説明する。

図８は、第３の実施の形態に係る放電発光デバイス９００の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、上述した第１の実施の形態に係る放電発光デバイス１００の陽極１０３、陰極１０２と構成が異なる一対の電極９０１を備えた点が異なるのみで、その他は第１の実施の形態と同様の構成のため説明を省略する。また、引き出しリード１０５は、交流電源９０３にそれぞれ接続されている。

電極９０１は、導電性基材９１３と、導電性基材９１３上に設けられたｎ型の半導体層９１２と、ｎ型の半導体層９１２の一部を露出するように、ｎ型の半導体層９１２上に設けられたｐ型の半導体層９１１と、で構成されており、ｎ型半導体層９１２及びｐ型半導体層９１１で、ｐｎ接合を形成している。

導電性基材９１３は、第１の実施の形態と同様に、導電性を有する金属材料であればよく、１０００℃以上の高融点を有する金属材料で構成されていることが好ましい。なお、本実施の形態に係る導電性基材９１３は、モリブデンを用い、形状をロット状とした例を説明する。

ｎ型の半導体層９１２は、導電性基材９１２の表面に設けられている。ｎ型の半導体層９１２は、第１の実施の形態と同様に、ｎ型の導電性を有し、後述するｐ型の半導体層９１１を形成可能な材料であれば特に限定されない。本実施の形態のｎ型の半導体層９１２は、不純物としてリン（Ｐ）をドープしたｎ型のダイヤモンド層を用いた例を示す。なお、ｎ型の半導体層９１２は、例えば、導電性基材９１３が電極部材１１４と接続する面以外の全ての面で形成されている。

ｐ型の半導体層９１１は、ｎ型の半導体層９１２の一部を露出するように、ｎ型の半導体層９１２の表面に設けられている。つまり、電極９０１は、ｐ型の半導体層９１１が露出している部分と、ｎ型の半導体層９１２が露出している部分とを備えている。また、ｐ型半導体層９１１は、第１の実施の形態と同様に、電子親和力が負もしくは正であっても小さい値であるワイドギャップ半導体で構成されていることが好ましい。ここでいうワイドギャップ半導体とは、炭化シリコン、窒化ガリウム、ダイヤモンド等が挙げられる。これらのワイドギャップ半導体のうち、より好ましくは、ダイヤモンドを用いることが好ましい。なお、本実施の形態に係るｐ型の半導体層９１１は、不純物としてホウ素（Ｂ）をドープしたｐ型のダイヤモンド層を用いた例を示す。このｐ型の半導体層９１１であるｐ型のダイヤモンド層は、順方向のバイアスがかかった場合、表面から電子を放出する性質を備えている。このように、ｐ型の半導体層９１１とｎ型の半導体層９１２の材料としてそれぞれダイヤモンドを用いた場合、化学的安定性に優れており、スパッタリング耐性が高いので、長寿命を実現することができる。

ところで、上述した第１及び第２の実施の形態の用いられた陰極は、表面にｐ型の半導体層のみが露出している。このため当該陰極を陽極として用いると、逆向きのダイオードを結合した構成となり電流を流すことができない。つまり、ｐ型の半導体層のみが露出した陰極は、電子を受け取るという陽極としての役割を果たすことはできない。

なお、本実施の形態の放電発光デバイス９００の電極９０１は、ｐ型の半導体層９１１だけでなく、ｎ型の半導体層９１２も放電空間に露出している。

つまり、ｎ型の半導体層９１２が露出している部分は、逆向きのダイオードを結合した構成とならないため、陽極としての役割を果たし、電子を受け取ることができる。

このようなｎ型の半導体層９１２の一部が露出された電極９０１は、電子を放出するという陰極本来の役割を果たすと共に、電子を受け取るという陽極の役割を果たすことができる。

つまり、本実施の形態に係る放電発光デバイス９００は、図８に示すように、外囲器１０１内の対向する位置に、一対の電極９０１が設けられており、左側の電極９０１は、陰極として動作し、正イオン（アルゴンイオン）の入射による２次電子放出で電子を放出する。一方、右側の電極９０１は、陽極として動作し、放電空間から電子を受け取る。

つまり、左側の電極９０１は、放電により正イオン（アルゴンイオン）を発生させ、この入射することで、ｐ型の半導体層９１１とｎ型の半導体層９１２の間で順バイアスされる。そして、ｐ型の半導体層９１１とｎ型の半導体層９１２の間に所定の電圧（ｐ型の半導体層９１１、及びｎ型の半導体層９１２が共にダイヤモンドで構成されている場合は５Ｖ以上の電圧）が印加された場合に、ｎ型の半導体層９１２からｐ型の半導体層９１１に電子が注入される。この状態は正イオンの入射によるｐ型の半導体層９１１表面の正の帯電と、ｐ型の半導体層９１１に注入され、表面に到達した一部の電子がこれを中和するバランスが決まるところで平衡に達し、放電空間への放電が継続する。

また、交流電源９０３の交流信号の極性が反転し、右側の電極９０１が陰極として動作し、左側の電極９０１が陽極として動作した場合でも上述した役割を果たすので、放電空間への放電を行うことができる。つまり、本実施の形態に係る放電発光デバイス９００は、交流信号で駆動することが可能となる。

また、本実施の形態に係る放電発光デバイス９００は、加熱フィラメントによる加熱を行わなくとも熱陰極放電灯と同様、ｐ型の半導体層９１１の電子を放電空間に放出できるだけのエネルギーを備えているので、電子を放電空間に放出させることが可能となる。つまり、放電発光デバイス９００は、加熱フィラメントが不要なため、細経化することが可能になり、低い温度で電子を放出させることができる。これにより、放電発光デバイス９００は、従来の熱陰極放電灯を用いた場合と比較すると、他の機器に与える影響を軽減できる。つまり、放電発光デバイス９００は、バックライトとして用いることが可能となる。

図９は、本実施の形態に係る放電発光デバイス９００の電極９０１の製造プロセスを示した説明図である。

まず、図９の（ａ）に示すように、最初に、導電性基材９１３としてロッド状のモリブデン棒を用意し、このモリブデン棒において電極部材１１４と接続する端面を除く全ての面に、ｎ型の半導体層９１２として、５μｍの厚みのｎ型の多結晶ダイヤモンド層を形成する。この形成方法としては、例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いる。次に、ｎ型の半導体層９１２の上にモリブデン層１００１を形成する。

次に、このｎ型の半導体層９１２とモリブデン層１００１が形成された導電性基材９１３に対して、例えば、温度６００℃で熱処理を行う。

すると、図９の（ｂ）に示すように、モリブデン層１００１の一部が剥離した状態となる。これは、モリブデンが、半導体より熱膨張係数が大きいために発生する。

そして、図９の（ｃ）に示すように、モリブデン層１００１の剥離した部分を、ＨＮＯ₃とＨ₂ＳＯ₄の混合水溶液でエッチングする。

次に、図９の（ｄ）に示すように、モリブデン層１００１で被膜されていないｎ型の半導体層９１２の露出部分の上に、ｐ型の半導体層９１１として、１μｍ程度の厚みのｐ型の多結晶ダイヤモンド層を形成する。この形成方法としては、例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いる。また、モリブデン層１００１上にｐ型の多結晶ダイヤモンドが形成されず、ｎ型の半導体層９１２の露出部分にのみｐ型の半導体層９１１が形成されるのは、ダイヤモンドはモリブデン上よりダイヤモンド上の方が成長しやすい性質を備えているからである。

そして、図９の(ｅ)に示すように、不要となったモリブデン層１００１をエッチング除去する。これにより、ｎ型の半導体層９１２上に、一部を露出するように、ｐ型の半導体層９１１を形成することができる。

本実施の形態に係る放電発光デバイス９００の電極９０１は、前述したように、ｐ型のダイヤモンド層９１１だけでなく、ｎ型のダイヤモンド層９１２の一部も放電空間に露出している。そして、このように構成された一対の電極９０１を用いて、対向する位置に設ける構成とした。これにより、陽極側、陰極側ともに同じ構成となり、放電発光デバイス９００は、交流信号で駆動することが可能となる。したがって、高効率で長寿命の交流信号で駆動できる放電発光デバイス９００を実現することができる。

（第４の実施の形態）
図１０は、第４の実施の形態に係る放電発光デバイス１１００の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、上述した第３の実施の形態に係る電極９０１と構成が異なる電極１１０１を備え、また、放電用ガス９０２とは成分が異なる放電用ガス１１０２を備えた構成を有している点が異なるのみで、その他は第１の実施の形態と同様の構成のため説明を省略する。

放電用ガス１１０２は、第２の実施の形態に係る放電用ガス５０２と同様にアルゴン（Ａｒ）と微量のハロゲンと、微量の水素とを含むものとする。

電極１１０１は、導電性基材９１３と、導電性基材９１３上に設けられたｎ型の半導体層９１２と、ｎ型の半導体層９１２の一部を露出するように、ｎ型の半導体層９１２上に設けられたｐ型の半導体層９１１と、ｐ型の半導体層９１１とｎ型の半導体層９１２との接合部を被膜する絶縁体層１１１１と、から構成されており、ｎ型の半導体層９１２と、ｐ型の半導体層９１１とで、ｐｎ接合を形成している。そして、電極１１０１は、ｐ型の半導体層９１１の表面が水素終端されている。

絶縁体層１１１１は、ｐ型の半導体層９１１とｎ型の半導体層９１２との接合部を被覆している。これにより、水素終端されたｐ型の半導体層９１１とｎ型の半導体層９１２との接合部の短絡を防止する。また、絶縁体層１１１１の材料は、第２の実施の形態と同様に、ＳｉＯ₂を用いている。

図１１は、本実施の形態に係る導電性基材９１３と、ｎ型の半導体層９１２と、ｐ型の半導体層９１１と、絶縁体層１１１１と、を模式的に示した断面図である。図１１に示したように、ｎ型の半導体層９１２とｐ型の半導体層９１１との接合部を絶縁体層１１１１で被覆した。これにより、接合部が水素終端を形成されることを防止するため、接合部に導電性が高い表面伝導層の生成を防止する。

そして、電極１１０１は、水素を含む放電用ガス１１０２中で放電を開始させた場合、水素プラズマにさらされるので、ｐ型の半導体層９１１の表面に水素終端が形成される。また、絶縁体層１１１１は、ｎ型の半導体層９１２とｐ型の半導体層９１１との接合部に水素終端が形成されることを防止する。つまり、ｐ型の半導体層９１１の表面が水素終端されるため、電子放出特性をさらに向上させると共に、ｎ型の半導体層９１２とｐ型の半導体層９１１との接合部の短絡を防止することができる。

本実施の形態に係る放電発光デバイス１１００は、ｎ型の半導体層９１２と、ｐ型の半導体層９１１の接合部で放電空間に露出する部分を絶縁した。これにより、放電発光デバイス１１００の電極１１０１は、水素終端の形成によるｐｎ接合の短絡を抑止することを可能とした。また、放電発光デバイス１１００の電極１１０１は、放電用ガス１１０２に含まれた微量の水素により、ｐ型の半導体層９１１を水素終端することを可能とした。これにより、電極１１０１は、水素終端された負性電子親和力を備えるｐ型の半導体層９１１表面を電子放出面として有することとなった。また、電極１１０１は、陰極としての役割と、陽極としての役割を果たすことができる。これにより、上述した第３の実施の形態の放電発光デバイス９００と同様の効果を得ることが出来るほか、さらに放電効率を向上させることができる。

以上、説明した第１から第４の実施形態に係る放電発光デバイスは、外囲器内に封入する放電用ガスの圧力は特に限定されることがなく、高圧ガス、低圧ガスを用いた放電発光デバイスに適用することが可能である。

以上のように、本発明に係る放電発光デバイスは、特に、放電発光デバイスを使用する際に長寿命かつ低消費電力が要求される用途、例えば、ＨＩＤランプ又は液晶ディスプレイのバックライト等に適している。

第１の実施の形態に係る放電発光デバイスの構成を模式的に示す断面図である。 第１の実施の形態に係る放電発光デバイスにおいて、放電始動開始後の陰極と陽極の間の状態を模式的に示した断面図である。 第１の実施の形態に係る放電発光デバイスにおいて、放電開始から一定時間経過後の陰極と陽極の間の状態を模式的に示した断面図である。 第２の実施の形態に係る放電発光デバイスの構成を模式的に示す断面図である。 第２の実施の形態の放電発光デバイスを説明するために、模式的に示した第２の実施の形態とは異なる陽極と陰極とを示す断面図である。 第２の実施の形態に係る放電発光デバイスの陰極を模式的に示した断面図である。 第２の実施の形態に係る放電発光デバイスが備える陰極の製造プロセスを示した説明図である。 第３の実施の形態に係る放電発光デバイスの構成を模式的に示す断面図である。 第３の実施の形態に係る放電発光デバイスの電極の製造プロセスを示した説明図である。 第４の実施の形態に係る放電発光デバイスの構成を模式的に示す断面図である。 第４の実施の形態に係る放電発光デバイスにおける電極を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１００ 放電発光デバイス
１０１ 外囲器
１０２ 陰極
１０３ 陽極
１０４ モリブデン箔
１０５ 引き出しリード
１０６ 水銀
１０７ 放電用ガス
１１１ ｐ型の半導体層
１１２ ｎ型の半導体層
１１３ 導電性基材
１１４ 電極部材
５００ 放電発光デバイス
５０１ 陰極
５０２ 放電用ガス
５１１ ｐ型の半導体層
５１２ 絶縁体層
６０１ 陰極
６１１ ｐ型の半導体層
９００ 放電発光デバイス
９０１ 電極
９０２ 放電用ガス
９０３ 交流電源
９１１ ｐ型の半導体層
９１２ ｎ型の半導体層
９１３ 導電性基材
１００１ モリブデン層
１１００ 放電発光デバイス
１１０１ 電極
１１０２ 放電用ガス
１１１１ 絶縁体層

Claims (12)

1. 放電用ガスが封入された外囲器と、
   前記外囲器内に設けられ該外囲器内に放電を生じさせる一対の電極と、を具備し、
   前記電極のうち一方の電極は、導電性を有する基材と、該基材上に設けられたｎ型の半導体層と、該ｎ型の半導体層上に設けられたｐ型のワイドギャップ半導体層とで構成されていることを特徴とする放電発光デバイス。
2. 前記ｎ型の半導体層は、前記ｐ型のワイドギャップ半導体層より高濃度の不純物がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の放電発光デバイス。
3. 前記ワイドギャップ半導体層はダイヤモンド層であることを特徴とする請求項１または２に記載の放電発光デバイス。
4. 前記ｐ型のワイドギャップ半導体層と前記ｎ型の半導体層との接合部を被覆する絶縁体層をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の放電発光デバイス。
5. 前記放電用ガスは水素を含む混合ガスで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の放電発光デバイス。
6. 前記ｐ型のワイドギャップ半導体層の表面は、水素終端されていることを特徴とする請求項５に記載の放電発光デバイス。
7. 放電用ガスが封入された外囲器と、
   前記外囲器内に設けられ該外囲器内に放電を生じさせる一対の電極と、を具備し、
   前記一対の電極は、導電性を有する基材と、該基材上に設けられたｎ型の半導体層と、該ｎ型の半導体層の一部を露出するように該ｎ型の半導体層上に設けられたｐ型のワイドギャップ半導体層とで構成されていることを特徴とする放電発光デバイス。
8. 前記ｎ型の半導体層は、前記ｐ型のワイドギャップ半導体層より高濃度の不純物がドープされていることを特徴とする請求項７に記載の放電発光デバイス。
9. 前記ワイドギャップ半導体層はダイヤモンド層であることを特徴とする請求項７または８に記載の放電発光デバイス。
10. 前記ｐ型のワイドギャップ半導体層と前記ｎ型の半導体層との接合部を被覆する絶縁体層をさらに備えたことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の放電発光デバイス。
11. 前記放電用ガスは水素を含む混合ガスで構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の放電発光デバイス。
12. 前記ｐ型のワイドギャップ半導体層の表面は、水素終端されていることを特徴とする請求項１１に記載の放電発光デバイス。

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