JP4267652B2

JP4267652B2 - 放電発光デバイス

Info

Publication number: JP4267652B2
Application number: JP2006251810A
Authority: JP
Inventors: 忠司酒井; 富男小野; 尚志佐久間; 博昭吉田; 真理子鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: US20080218077A1; JP2008071723A

Description

本発明は、放電発光デバイスに関するものである。

従来、放電発光デバイスである放電灯が広く照明用に用いられており、照明光源の主流を成している。このため、用途に応じてさまざまな形態・構造のものが開発され、製造されている。たとえば、放電室を形作る裏面基板と、額縁状の枠及び透光性の前面基板と、放電室内に封入された希ガスと、放電室内に誘電体バリア放電を生じさせるため対をなす電極及びその電極上に形成された誘電体膜と、誘電体膜上に形成された蛍光体膜とを少なくとも含む希ガス放電灯などがある（たとえば、特許文献１参照）。

一方、最近は放電灯の中でも高気圧の放電による高圧放電灯、いわゆるＨＩＤ（High-intensity discharge）型の放電灯が高性能化し、市場を拡大しつつある。このＨＩＤ型放電灯は、発光の高演色性や高発光効率という特徴を有している。

特開２００３−９２０８６号公報

しかしながら、ＨＩＤ型放電灯においては、以下のような課題がある。すなわち、ＨＩＤ型放電灯においては高気圧ガスを充填することが求められるため、起動すなわち、放電開始時に高電圧が必要である。その一方で、ＨＩＤ型放電灯においては放電開始後は低電圧で高電流の動作条件となるため、駆動する回路は高電圧・小電流から低電圧・大電流までの幅広い動作条件に対応する必要があり、負担が大きい。

したがって、近年の放電灯、特に高気圧放電発光型のものは、点灯開始時の電圧増大と駆動時の低電圧・大電流という駆動条件上の困難さがあり、駆動制御が複雑である、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、起動電圧が低く駆動の容易な、駆動制御性に優れた放電発光デバイスを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明にかかる放電発光デバイスは、光透過部を有し放電ガスが封止された外囲部と、前記外囲部内に配置され、シリコンよりバンドギャップの広いワイドギャップ半導体からなる第１の電極と、前記外囲部内に配置され、前記ワイドギャップ半導体からなる第２の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極より細く形成され、前記第１の電極と前記第２の電極とを接続し、放電によらず前記第１の電極から前記第２の電極へ電流が流れる接続部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、放電電極として狭窄部を有するワイドギャップ半導体からなる少なくとも一対の電極を備えることにより、狭窄部を流れる電流と、該狭窄部の周囲の半導体電極表面から気相への直接電子放出による放電電流と、を利用して放電発光デバイスの起動がなされるため、電源からの出力電圧の低減と負担軽減が可能であり、起動電圧の上昇を回避することが可能である。したがって、この発明によれば、起動電圧が低く駆動の容易な、駆動制御性に優れた放電発光デバイスを提供することができる、という効果を奏する。これによって、駆動回路を大幅に簡略化・低コスト化できる。

以下に添付図面を参照して、本発明にかか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。なお、本発明は以下の記述により限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下において示す図では、説明の便宜上、図面により、また各部材により縮尺を異ならせて記載してある場合がある。

（第１の実施の形態）
図１−１は、第１の実施の形態にかかる放電発光デバイスである高圧放電灯（ＨＩＤ型放電灯）の概略構成を示す断面図である。以下の図１−１〜図１２−４においては、図ｎ−２は図ｎ−１の平面図であり、図ｎ−３は図ｎ−２の線分Ｂ−Ｂにおける断面図であり、図ｎ−４は図ｎ−２の線分Ｃ−Ｃにおける断面図である。また、図ｎ−１は図ｎ−２の線分Ａ−Ａにおける断面を示している（ｎは１〜１４の自然数）。また、図１−５は、本実施の形態にかかる高圧放電灯がサファイア基板１０１上に複数形成された状態の一例を示す平面図である。

図１に示す高圧放電灯１００は、サファイア基板１０１と、第１の側壁層１０３と、電極層１０５と、第２の側壁層１０７と、キャップ層１０８と、パッシベーション層１１３と、コンタクトプラグ１１５と、コンタクト電極１１７と、を備えて構成される。また、高圧放電灯１００においては、サファイア基板１０１と、第１の側壁層１０３と、電極層１０５と、第２の側壁層１０７と、キャップ層１０８と、により放電室１１８が形成されている。そして、該放電室１１８内には、放電ガス、放電媒体元素のアマルガム１１９、および微量の水素が封入されている。

サファイア基板１０１は、本実施の形態にかかる高圧放電灯の支持基板であり、また他の部材と共に放電室１１８を構成する。この支持基板は、サファイア基板に限定されるものではなく、絶縁性、光透過性（透過率が高い方が好ましい）、および耐薬品性を備える基板であれば他の素材の基板も用いることができる。ここで耐薬品性とは、放電室１１８に封入される薬品に対して不活性であり、該薬品に対して耐久性を有することを意味する。このような支持基板としては、サファイア基板や石英基板などが好適である。

第１の側壁層１０３は、電極層１０５を支持するとともに、他の部材と共に放電室１１８を構成する。この第１の側壁層１０３としては、耐薬品性を備える材料を用いることができる。ここで耐薬品性とは、放電室１１８に封入される薬品に対して不活性であり、該薬品に対して耐久性を有することを意味する。また、第１の側壁層１０３に用いる材料としては、該第１の側壁層１０３の上下層、すなわちサファイア基板１０１と電極層１０５とに対して選択エッチング性を有する材料が好ましい。このような材料としては、例えばポリシリコンが好適である。

電極層１０５は、電子放出物質としてダイヤモンド半導体である導電性ダイヤモンドからなり、一対の電極１０５−１、１０５−２が狭窄部１０５Ｃを有して構成されている。電極層１０５の構成材料は、導電性ダイヤモンドに限定されるものではなく、ワイドギャップ半導体であれば用いることができる。ここで、ワイドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）のバンドギャップよりもバンドギャップが広い半導体を意味する。

第２の側壁層１０７は、電極層１０５を支持するとともに、他の部材と共に放電室１１８を構成する。この第２の側壁層１０７としては、耐薬品性を備える材料を用いることができる。ここで耐薬品性とは、放電室１１８に封入される薬品に対して不活性であり、該薬品に対して耐久性を有することを意味する。また、第２の側壁層１０７に用いる材料としては、該第１の側壁層１０３の上下層、すなわちサファイア基板１０１と電極層１０５とに対して選択エッチング性を有する材料が好ましい。このような材料としては、例えばポリシリコンが好適である。

キャップ層１０８は、他の部材と共に放電室１１８を構成する。また、キャップ層１０８は、キャップ層１０９とキャップ層１１１とからなる。キャップ層１０８は、絶縁性、光透過性、耐薬品性を有する材料により構成される。ここで耐薬品性とは、放電室１１８に封入される薬品に対して不活性であり、該薬品に対して耐久性を有することを意味する。このようなキャップ層１０８は、たとえば絶縁性ダイヤモンドにより構成される。

パッシベーション層１１３は、キャップ層１０８の酸化を防止するために形成されるものであり、例えば酸化シリコン膜からなる。また、パッシベーション層１１３の材料としては、酸化シリコン膜に限定されるものではなく、酸化キャップ層１０８の酸化を防止することが可能なものであれば他の材料も使用可能である。たとえば、前記酸化シリコン膜に加えて酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、およびこれらの積層膜などを用いることができる。

なお、上記の各構成部材においては、光の取り出し領域をどの方向に設定するかにより、各構成部材に対して光透過性を要求するか否かの条件を変更することが可能である。

上記のように構成された本実施の形態にかかる高圧放電灯の有する効果を個別の要素に従って説明する。本実施の形態にかかる放電灯１００は、ワイドバンドギャップ半導体である導電性ダイヤモンドからなる電極層１０５が狭窄部１０５を具備することによって、次のような主要な効果が得られる。すなわち、電極層１０５が狭窄部１０５を有することによって、一対の電極間には、図１−６に示すように放電によらず隘路内電流の通電が開始される。このため、通電開始に通常必要な極めて高い電圧なしにパワーが投入され始める。

次に、電極１０５−１、１０５−２間に流れる電流が増加し始めると、該電流が狭窄部１０５に流れることにより該狭窄部１０５が発熱し、局所的な温度上昇が始まる。これにより、当該部分の近傍の電極１０５の半導体内の電荷のエネルギーが増大し、実質的な仕事関数が低下する。このとき、ワイドギャップ半導体を用いることによって、低電子親和力が得られ、これに熱励起が加わって伝導帯内の電子電荷の密度とエネルギーが上昇する。

図１−７示すようにワイドギャップ半導体（たとえばダイヤモンド半導体）は、バンドギャップφＧが大きいほど電子親和力χが負で大となり、二次電子放出性能が大となる。これによって、放出障壁φｅが低くなり実効的な仕事関数の低減が生じる。狭窄部１０５の電流が増大するに従って、狭窄部１０５を流れる電流だけでなく、周囲の半導体電極表面から気相への直接電子放出とそれによる電流が重畳するようになる。この放出電流が周囲の空隙内で放電を生起させ、ここに放電が始まり、放電電流が流れ始める。

さらに、入力パワーを増すと、狭窄部１０５による電極内電流よりも外部の放電電流の方が主となる。そして、全体を通じて、通電開始から、定常的な放電発光までの過程が、通常の放電開始のための高電圧無しで生じる。

以上のような作用により、本実施の形態にかかる高圧放電灯では、電源出力電圧の低減と負担軽減が可能であり、起動電圧の上昇を回避することが可能である。これによって、本実施の形態にかかる高圧放電灯では、該高圧放電灯を駆動するための駆動回路を大幅に簡略化・低コスト化することができる。また、この効果は、高ガス気圧型になるほど有効である。また、一旦、点灯した後に再起動する際には放電室１１８内のガス気圧が高くなっているために、起動電圧がさらに上昇する問題を回避することもできる。したがって、本実施の形態にかかる高圧放電灯では、従来の高圧放電灯において問題となっていた点灯開始時の電圧増大と駆動時の低電圧・大電流という複雑な駆動条件を解消し、起動電圧が低く、駆動の容易な高圧放電灯が実現されている。

また、前記のワイドギャップ半導体としてダイヤモンド半導体を用いることによって、前記のワイドギャップ半導体による低電子親和力を一段と進め、負性電子親和力の表面を得ることができる。このとき、水素ガスの微量添加による表面水素終端がこの低電子親和力化に有効である。すなわち、放電室１１８内における微量の水素ガスの添加がこの低電子親和力化に有効である。

このように、電極１０５に用いるワイドギャップ半導体としてダイヤモンド半導体を用いることによって、よりいっそう電極１０５の狭窄部から外部への電子放出が優先的に選択されやすくなり、接合を介した固体内電流に比べて発光に寄与する放電電流の割合を増加させることができる。

さらに、本実施の形態にかかる高圧放電灯は、積層工程・選択エッチング工程を主体とするプレーナ手法により形成可能な構造とされている。このため、上述したダイヤモンド半導体のような難加工性材料の薄膜を構成部材として用いた構成であっても、容易に作製することができ、隘路接合のような繊細な構造を精度よく作製することができる。

また、本実施の形態にかかる高圧放電灯は、薄膜の積層構造により絶縁性内壁を構成することで、従来、管（バルブ）形状に加工することと両立させる必要があった材料選択の幅を広げることができる。

従来のガラス管加工技術では十分な性能が得られなくなりつつあった。従来の高圧放電灯においては、高演色性、高発光効率を得るためには金属ハロゲン化物のような活性な放電媒体を高気圧で放電させることが必要になってきている。しかしながら、従来のガラス材料では、このような条件における耐蝕性および耐熱性が十分ではない。したがって、従来の高圧放電灯においては、ガラス材料及び加工技術の材料限界からくる耐薬品性・耐熱性の限界があった。

これに対して、本実施の形態にかかる高圧放電灯においては、圧力に対する構造強度を担う材料と、耐薬品性、耐放電性などを必要とする内壁材料と、を必要に応じて組み合わせて使うことができる。なかでも、ダイヤモンド半導体を用いることによって、本実施の形態にかかる高圧放電灯は、セルボディとしての機械的強度と内壁層としての耐熱・耐薬品性とを両立可能であり、耐久性に優れた高圧放電灯が実現できる。

また、従来の管型の構造高圧放電灯では一品ずつの加圧・変形による製造が不可避であり、大量生産には限界があった。元々ガラスは、加熱により容易に変形可能であり、絶縁性で、気密性を保ちつつ、圧力にも耐えることができるなど、放電容器としては、理想的とも言える性質を備えている。一方で、ガラス加工は、いったん加熱によって可塑性を与えてから加工する必要があり、一品ずつの加圧・変形による製造が不可避である。

このため、近年、半導体デバイス工程などで大量生産に用いられているプレーナ加工プロセスとは相容れない面がある。そして、このことによって、放電灯は労働集約型のコモディテイ製品であり、生産性の低い製品であった。

これに対して、本実施の形態にかかる高圧放電灯は、薄膜の積層構造を採用し、積層工程・選択エッチング工程を主体とするプレーナ手法により形成可能な構造とされているため、図１−５に示すように同一基板上に同時に多数のデバイスを集積形成することが可能であり、効率的な大量生産が可能であり、コストを低減することができる。

また、積層構造を採用することによって、外壁にも外部雰囲気への耐性や発光特性に適したパシベーション層を設けることができる。これによって、電極にダイヤモンド半導体を用いる場合には、高温での耐酸化性を得るための層を形成することができる。また、特にダイヤモンドを電極だけでなく壁層にも用いることで、高い均熱性を得ることができる。これによって、温度むらに起因する放電媒体の不要な偏析等を防ぐことができる。

また、本実施の形態にかかる高圧放電灯は、図１−８に示すようにサファイア基板１０１における第１の側壁層１０３と反対側の面に反射層１２１を設けた構成とすることもできる。このように反射層１２１を設けることにより光を一方方向へ選択的に取り出すことができ、光の取り出し特性を向上させることができる。これにより、より効率的に高圧放電灯から光を取り出すことができる。なお、光をサファイア基板１０１側から取り出す場合には、パッシベーション層１１３の上に反射層１２１を設けた構成とすることもできる。

次に、上記のように構成された本実施の形態にかかる高圧放電灯の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下において説明する本実施の形態にかかる高圧放電灯の製造方法は、薄膜積層手法とエッチング等によるパターニング手法とを用いることを特徴とする。

まず、基板としてサファイア基板１０１を用意する。そして、図２−１〜図２−４に示すように、用意したサファイア基板１０１上に、犠牲層であると共にまた第１の側壁層１０３となるポリシリコン層１０３ａをＣＶＤ法によって形成する。次に、図３−１〜図３−４に示すように、放電電極となる導電性ダイヤモンド層１０５ａをポリシリコン層１０３ａ上にＣＶＤ法によって形成する。

そして、該導電性ダイヤモンド層１０５ａをパターニングして、図４−１〜図４−４に示すように、電極の狭矮な接合部である狭窄部１０５Ｃを有する電極構造を形成する。これにより、一対の電極層１０５−１、１０５−２が狭窄部１０５Ｃにより接続された電極構造が形成される。

次に、図５−１〜図５−４に示すように、犠牲層であると共にまた第２の側壁層１０７となるポリシリコン層１０７ａを、サファイア基板１０１基板上の全面に形成する。その後、図６−１〜図６−４に示すように、サファイア基板１０１上の個々の高圧放電灯の境界線を含む領域のポリシリコン層１０３ａおよびポリシリコン層１０７ａを選択的にエッチング除去する。

続いて、図７−１〜図７−４に示すように、放電室１１８の内壁となるキャップ層１０８として絶縁性ダイヤモンド層１０９ａをポリシリコン層１０７ａ上にＣＶＤ法によって積層形成する。そして、個々の高圧放電灯間の境界領域の一部の絶縁性ダイヤモンド層１０９ａを選択的にエッチングし、図８−１〜図８−４に示すように、犠牲層であるポリシリコン層１０３ａおよびポリシリコン層１０７ａをエッチングするためのエッチングホール１０９ｂを形成する。これによりキャップ層１０９が形成される。

次に、エッチングホール１０９ｂからエッチング液を供給して、図９−１〜図９−４に示すように、狭窄部１０５Ｃの周囲のポリシリコン層１０３ａおよびポリシリコン層１０７ａを該エッチング液によりエッチングして除去する。このエッチングにより形成された空間が放電室１１８とされる。

次に、図１０−１〜図１０−４に示すように、このようにして形成した放電室１１８の空間内に、放電に必要な放電媒体元素をたとえばアマルガム１１９として供給する。ついで、サファイア基板１０１の全面にキャップ層１１１として絶縁性ダイヤモンド層を積層形成することで該放電室１１８の開口部を封口して放電室１１８を封止する。

この絶縁性ダイヤモンド層の積層はＣＶＤ法を用いて行い、少なくとも封止直前では放電室１１８内での放電開始に望まれる放電ガス（希ガス）を含む条件で成膜を行う。これにより、放電室１１８内に所望の放電ガス（希ガス）を封入することができる。また、このとき、水素ガスも微量に放電ガス（希ガス）に混合させる。これにより、放電室１１８内に微量の水素ガスを封入することができる。

ついで、図１１−１〜図１１−４に示すように、キャップ層１１１上にパシベーション層１１３として例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を積層形成する。パシベーション層１１３による封止を良好に行うため、必要に応じてキャップ層１１１の厚みや形状を調整してからパシベーション層１１３を積層形成する。酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の積層は、ＣＶＤ法などの方法によって、周囲に段差のある構造でも全面につけることが好ましい。

ついで、電極層１０５に接続する電極を形成するため、パシベーション層１１３から電極層１０５に達するビアホールを形成する。そして、図１２−１〜図１２−４に示すように、該ビアホールにビアプラグ１１５として導電性材料をつめた後に、該ビアプラグ１１５に接続するコンタクト電極１１７を形成する。以上の工程を経ることにより、図１−１〜図１−５に示すような本実施の形態にかかる多数個取りの高圧放電灯を作製することができる。

上述したように、本実施の形態にかかる高圧放電灯の製造方法においては、上述した本実施の形態にかかる高圧放電灯を、薄膜積層手法とエッチング等によるパターニング手法とを用いて、精度良く、且つ効率的に大量生産することが可能である。アレイ化などとの組み合わせにより、高付加価値化を図ることもできる。

（第２の実施の形態）
図１３−１〜図１３−４は、第２の実施の形態にかかる高圧放電灯（ＨＩＤ型放電灯）の概略構成を示す断面図である。図１３−２は図１３−１の平面図であり、図１３−３は図１３−２の線分Ｂ−Ｂにおける断面図であり、図１３−４は図１３−２の線分Ｃ−Ｃにおける断面図である。また、図１３−１は図１３−２の線分Ａ−Ａにおける断面を示している。なお、図１３−１〜図１３−４に示す第２の実施の形態にかかる高圧放電灯において、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態にかかる高圧放電灯は、上述した第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例であり、光の取り出し面Ｓを凸レンズ状に形成した例である。すなわち、この高圧放電灯においては、光の取り出し面Ｓを構成するキャップ層１０８とパッシベーション層１１３とを凸レンズ状に形成している。

第２の実施の形態にかかる高圧放電灯においては、第１の実施の形態と同様に、駆動が容易であり、耐久性に優れた高圧放電灯が実現されている。そして、第２の実施の形態にかかる高圧放電灯においては、光の取り出し面Ｓを凸レンズ状に形成することにより、光の放射角を調整し、光の配向特性を調整することができる。これにより、より効率的に高圧放電灯から光を取り出すことができる。

このような第２の実施の形態にかかる高圧放電灯は、図１３−５に示すようにポリシリコン層１０７ａを凸状に形成すること以外は、上述した第１の実施の形態と同様の工程により作製することができる。

また、実施の形態２にかかる高圧放電灯においても、図１３−６に示すようにサファイア基板１０１における第１の側壁層１０３と反対側の面に反射層１２１を設けた構成とすることができる。このように反射層１２１を設けることにより光を一方方向へ選択的に取り出すことができ、光の取り出し特性を向上させることができる。これにより、より効率的に高圧放電灯から光を取り出すことができる。

（第３の実施の形態）
図１４−１〜図１４−４は、第２の実施の形態にかかる高圧放電灯（ＨＩＤ型放電灯）の概略構成を示す断面図である。図１４−２は図１４−１の平面図であり、図１４−３は図１４−２の線分Ｂ−Ｂにおける断面図であり、図１４−４は図１４−２の線分Ｃ−Ｃにおける断面図である。また、図１４−１は図１４−２の線分Ａ−Ａにおける断面を示している。なお、図１４−１〜図１４−４に示す第２の実施の形態にかかる高圧放電灯において、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第３の実施の形態にかかる高圧放電灯は、上述した第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例であり、図１４−１〜図１４−４に示すようにサファイア基板１０１と第１の側壁層１０３との間に、キャップ層１０９と同じ絶縁性ダイヤモンド層１３１を設けた例である。

第３の実施の形態にかかる高圧放電灯においては、第１の実施の形態と同様に、駆動が容易であり、耐久性に優れた高圧放電灯が実現されている。そして、この第３の実施の形態にかかる高圧放電灯は、第１の実施の形態にかかる高圧放電灯では、サファイアにより構成していた放電室１１８の内壁面をダイヤモンドにより構成するため、サファイアでは耐えられない薬品に対する耐久性を得ることができ、放電室１１８内に封入する薬品の選択の自由度が大きくなる。

また、第３の実施の形態にかかる高圧放電灯は、第１の実施の形態にかかる高圧放電灯では、サファイアにより構成していた放電室１１８の内壁面をダイヤモンドにより構成するため、対向する放電室１１８の内壁面（キャップ層１０９および絶縁性ダイヤモンド層１３１）が同材料により構成される。これにより、対向する放電室１１８の内壁面の構成材料の違いによる熱伝導性の違いを無くすことができ、熱伝導性の違いに起因した放電室１１８のゆがみ、放電室１１８内の温度分布の不均一を抑制することができる。

このような第３の実施の形態にかかる高圧放電灯は、図１４−５に示すようにサファイア基板１０１上にＣＶＤ法によって絶縁性ダイヤモンド層１３１を形成した後、図１４−６に示すように該絶縁性ダイヤモンド層１３１上にポリシリコン層１０３ａをＣＶＤ法によって形成すること以外は、上述した第１の実施の形態と同様の工程により作製することができる。

また、実施の形態３にかかる高圧放電灯においても、図１４−７に示すようにサファイア基板１０１における第１の側壁層１０３と反対側の面に反射層１２１を設けた構成とすることができる。このように反射層１２１を設けることにより光を一方方向へ選択的に取り出すことができ、光の取り出し特性を向上させることができる。これにより、より効率的に高圧放電灯から光を取り出すことができる。

（第４の実施の形態）
図１５−１〜図１５−３は、第４の実施の形態にかかる高圧放電灯（ＨＩＤ型放電灯）の概略構成を示す断面図である。図１５−２は図１５−１の平面図であり、図１５−３は図１５−２の線分Ｄ−Ｄにおける断面図である。また、図１５−１は図１５−２の線分Ａ−Ａにおける断面を示している。

第４の実施の形態にかかる高圧放電灯は、上述した第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例であり、電極を折り曲げて略Ｕ字型とした高圧放電灯である。図１５−１〜図１５−３に示す本実施の形態にかかる高圧放電灯は、サファイア基板１０１と、第１の絶縁性ダイヤモンド層（絶縁層）１４１と、第２の絶縁性ダイヤモンド層（キャップ層）１４３と、第３の絶縁性ダイヤモンド層（キャップ層）１４５と、電極層１０５と、パッシベーション層１１３と、コンタクトプラグ１１５と、コンタクト電極１１７と、を備えて構成される。この高圧放電灯においては、第１の絶縁性ダイヤモンド層１４１と、第２の絶縁性ダイヤモンド層１４３と、第３の絶縁性ダイヤモンド層１４５と、により放電室１４７が構成されている。

また、放電室１４７内には、放電ガス、放電媒体元素のアマルガム１１９、および微量の水素が封入されている。なお、図１５−１〜図１５−３に示す第４の実施の形態にかかる高圧放電灯において、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第４の実施の形態にかかる高圧放電灯においては、第１の実施の形態と同様に、駆動が容易であり、耐久性に優れた高圧放電灯が実現されている。そして、第４の実施の形態にかかる高圧放電灯は、電極を折り曲げて略Ｕ字型としているため、電極１０５に対する給電部（コンタクトプラグ１１５、コンタクト電極１１７）を高圧放電灯の長さ方向において一端側に集約して設けることができ、電極１０５の発光端側をフリーにすることができる。これにより、光の配向性に自由度を与えることができる。

また、実施の形態４にかかる高圧放電灯においても、図１５−４に示すようにサファイア基板１０１における第１の絶縁性ダイヤモンド層１４１と反対側の面に反射層１２１を設けた構成とすることができる。このように反射層１２１を設けることにより光を一方方向へ選択的に取り出すことができ、光の取り出し特性を向上させることができる。これにより、より効率的に高圧放電灯から光を取り出すことができる。

次に、上記のように構成された本実施の形態にかかる高圧放電灯の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、基板としてサファイア基板１０１を用意する。そして、図１６−１〜図１６−３に示すように、用意したサファイア基板１０１上に第１の絶縁性ダイヤモンド層１４１をＣＶＤ法によって形成する。次に、図１７−１〜図１７−３に示すように、犠牲層であるポリシリコン層１５１を第１の絶縁性ダイヤモンド層１４１上の全面に形成し、図１８−１〜図１８−３に示すように、放電室１４７の形状にパターニングしてポリシリコン層１５１ａを得る。

次に、図１９−１〜図１９−３に示すように、放電電極となる導電性ダイヤモンド層１０５ａをサファイア基板１０１の全面にＣＶＤ法によって形成する。ついで、該導電性ダイヤモンド層１０５ａをパターニングして、図２０−１〜図２０−３に示すように、折り曲げられた略Ｕ字型の形状を有すると共に折り曲げ先端部において狭矮な接合部である狭窄部１０５Ｃを有する電極構造を形成する。これにより、一対の電極層１０５−１、１０５−２が狭窄部１０５Ｃにより接続された電極層１０５が形成される。また、狭窄部１０５Ｃ近傍の電極層１０５の下部にはポリシリコン層１５１ｂを得る。

次に、図２１−１〜図２１−３に示すように、電極層１０５が形成されたサファイア基板１０１基板の全面に犠牲層であるポリシリコン層１５３を形成する。その後、図２２−１〜図２２−３に示すように、ポリシリコン層１５３を放電室１４７の形状にパターニングしてポリシリコン層１５３ａを得る。

次に、図２３−１〜図２３−３に示すように、第２の絶縁性ダイヤモンド層１４３となる絶縁性ダイヤモンド層１４３ａをサファイア基板１０１基板上の全面にＣＶＤ法によって形成する。その後、図２４−１〜図２４−３に示すように、絶縁性ダイヤモンド層１４３ａをエッチングしてエッチングホール１４３ｂを形成してポリシリコン層１５３ａの側壁を露出させる。これにより、第２の絶縁性ダイヤモンド層１４３が形成される。

次に、エッチングホール１４３ｂからエッチング液を供給して、図２５−１〜図２５−３に示すように、ポリシリコン層１５３ａおよびポリシリコン層１５１ｂを該エッチング液によりエッチングして除去する。このエッチングにより形成された空間が放電室１４７とされる。

次に、図２６−１〜図２６−３に示すように、このようにして形成した放電室１４７の空間内に、放電に必要な放電媒体元素をたとえばアマルガム（図示せず）として供給する。ついで、サファイア基板１０１の全面に第３の絶縁性ダイヤモンド層１４５を積層形成することでエッチングホール１４３ｂを封口して放電室１４７を封止する。

この第３の絶縁性ダイヤモンド層１４５の積層はＣＶＤ法を用いて行い、少なくとも封止直前では放電室１４７内での放電開始に望まれる放電ガス（希ガス）を含む条件で成膜を行う。これにより、放電室１４７内に所望の放電ガス（希ガス）を封入することができる。また、このとき、水素ガスも微量に放電ガス（希ガス）に混合させる。これにより、放電室１４７内に微量の水素ガスを封入することができる。

ついで、図２７−１〜図２７−３に示すように、第３の絶縁性ダイヤモンド層１４５上にパシベーション層１１３として例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を積層形成する。酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の積層は、ＣＶＤ法などの方法によって、周囲に段差のある構造でも全面に形成することが好ましい。

ついで、電極層１０５に接続する電極を形成するため、パシベーション層１１３から電極層１０５に達するビアホールを形成する。そして、図２８−１〜図２８−３に示すように、該ビアホールにビアプラグ１１５として導電性材料をつめた後に、図２９−１〜図２９−３に示すように、該ビアプラグ１１５に接続するコンタクト電極１１７を形成する。以上の工程を経ることにより、図１５−１〜図１５−３に示すような本実施の形態にかかる高圧放電灯を作製することができる。

（第５の実施の形態）
図３０−１および図３０−２は、第５の実施の形態にかかる高圧放電灯（ＨＩＤ型放電灯）の概略構成を示す断面図である。図３０−２は図１５−１の平面図である。また、図３０−１は図３０−２の線分Ａ−Ａにおける断面を示している。なお、図３０−１および図３０−２に示す第５の実施の形態にかかる高圧放電灯において、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第５の実施の形態にかかる高圧放電灯は、上述した第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例であり、光を透過しない基板を用いた高圧放電灯である。図３０−１および図３０−２に示すように第５の実施の形態にかかる高圧放電灯は、サファイア基板の代わりに光を透過しないシリコン（Ｓｉ）基板１６１を用いている。また、ここでは、シリコン基板１６１を異方性エッチングすることで凹部が形成され、該凹部がキャビティ１４７の一部とされている。これにブリッジングするように狭窄部１０５Ｃを有する電極層１０５を形成している。また、この凹部の斜面１６１ａが反射層の機能を兼ねている。

第５の実施の形態にかかる高圧放電灯においては、第１の実施の形態と同様に、駆動が容易であり、耐久性に優れた高圧放電灯が実現されている。そして、この第５の実施の形態にかかる高圧放電灯によれば、安価であり且つ加工性に優れたシリコン基板１６１を用いることで、より安価な、生産性の良い高圧放電灯が実現されている。

（第６の実施の形態）
図３１は、第６の実施の形態にかかる高圧放電灯（ＨＩＤ型放電灯）の概略構成を示す断面図である。第６の実施の形態にかかる高圧放電灯は、前述のような積層構造を用いずに、従来と同様の管構造によって半導体電極の狭窄部を設けた例である。

図３１に示すように本実施の形態にかかる高圧放電灯は、外囲器２０１と、内部リード２０３と、リード接続部２０５と、外部リード２０７と、リード支持部２０９と、電極層２１１と、を備えて構成されている。また、外囲器２０１内には、放電ガス、放電媒体元素のアマルガム１１９、および微量の水素が封入されている。ここで、電極層２１１は、先鋭形状または半球状構造の結晶電極あるいは、結晶膜を形成した同様の構造の電極を突き合わせて狭窄部２１１Ｃを形成して実装している。

このように構成された第６の実施の形態にかかる高圧放電灯においては、第１の実施の形態と同様に、駆動が容易であり、耐久性に優れた高圧放電灯が実現されている。

以上のように、本発明にかかる放電発光デバイスは、耐久性が要求される用途に有用である。

第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯がサファイア基板上に複数形成された状態の一例を示す平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の動作機構を説明するための模式図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の動作機構を説明するための模式図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例の概略構成を示す断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第１の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第２の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第２の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す平面図である。第２の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第２の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第２の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第２の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例の概略構成を示す断面図である。第３の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第３の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す平面図である。第３の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第３の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第３の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第３の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第３の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例の概略構成を示す断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の変形例の概略構成を示す断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する平面図である。第４の実施の形態にかかる高圧放電灯の製造工程を説明する断面図である。第５の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。第５の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す平面図である。第６の実施の形態にかかる高圧放電灯の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１００高圧放電灯
１０１サファイア基板
１０３第１の側壁層側壁層
１０３ａポリシリコン層
１０５電極層
１０５ａ導電性ダイヤモンド層
１０５Ｃ狭窄部
１０７第２の側壁層側壁層
１０７ａポリシリコン層
１０８キャップ層
１０９キャップ層
１０９ａ絶縁性ダイヤモンド層
１１１キャップ層
１１３パッシベーション層
１１５コンタクトプラグ
１１７コンタクト電極
１１８放電室
１１９アマルガム
１２１反射層
１３１絶縁性ダイヤモンド層
１４１絶縁性ダイヤモンド層
１４３絶縁性ダイヤモンド層
１４５絶縁性ダイヤモンド層
１４７放電室
１５１ポリシリコン層
１５１ａポリシリコン層
１５１ｂポリシリコン層
１５３ポリシリコン層
１５３ａポリシリコン層
１６１シリコン基板
１６１ａ斜面
２０１外囲器
２０３内部リード
２０５リード接続部
２０７外部リード
２０９リード支持部
２１１電極層
２０１外囲器
２１１電極層
２１１Ｃ狭窄部

Claims

光透過部を有し放電ガスが封止された外囲部と、
前記外囲部内に配置され、シリコンよりバンドギャップの広いワイドギャップ半導体からなる第１の電極と、
前記外囲部内に配置され、前記ワイドギャップ半導体からなる第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極より細く形成され、前記第１の電極と前記第２の電極とを接続し、放電によらず前記第１の電極から前記第２の電極へ電流が流れる接続部と、
を備えることを特徴とする放電発光デバイス。
前記外囲部が、基板と、前記基板上に設けられた側壁層と、前記基板に対向し、前記側壁層上に設けられたキャップ層とで囲まれた空間で構成されていること
を特徴とする請求項１に記載の放電発光デバイス。
前記キャップ層が絶縁性ダイヤモンドからなること
を特徴とする請求項２に記載の放電発光デバイス。
前記ワイドギャップ半導体がダイヤモンドであること
を特徴とする請求項１に記載の放電発光デバイス。
前記基板の前記外囲部が設けられた面に対向する面には反射層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の放電発光デバイス。
前記外囲部が、基板上に設けられた第１の絶縁性ダイヤモンド層と、前記第１の絶縁性ダイヤモンド層上に設けられた側壁層と、前記第１の絶縁性ダイヤモンド層に対向し、前記側壁層上に設けられた第２の絶縁性ダイヤモンド層とで囲まれた空間で構成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。
前記基板の前記第１の絶縁性ダイヤモンド層が設けられた面に対向する面には反射層が設けられていることを特徴とする請求項６項に記載の放電発光デバイス。
前記光透過部は凸レンズ状で構成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。
前記一対の電極は、略Ｕ字型で構成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。