深紫外発光素子及びその製造方法
【課題】高発光効率であり製造が容易な深紫外発光素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】深紫外発光素子（１）は、上部基板（６）と、下部基板（２）と、前記下部基板の一方の面に形成された複数の電極（３）、誘電体層（４）、及び保護層（５）と、前記上部基板の一方の面に形成された発光層（７）と、前記上部基板及び前記下部基板が、前記電極と前記発光層とを対向させて配置させて形成された密閉空間（８）に充填されたガス（Ｘｅ及びＮｅ）とを備え、前記電極の間にＲＦ電圧が印加された場合に前記ガスによって発生するプラズマ（Ｐ）によって、前記発光層が深紫外光（Ｌ）を発する。
【解決手段】深紫外発光素子（１）は、上部基板（６）と、下部基板（２）と、前記下部基板の一方の面に形成された複数の電極（３）、誘電体層（４）、及び保護層（５）と、前記上部基板の一方の面に形成された発光層（７）と、前記上部基板及び前記下部基板が、前記電極と前記発光層とを対向させて配置させて形成された密閉空間（８）に充填されたガス（Ｘｅ及びＮｅ）とを備え、前記電極の間にＲＦ電圧が印加された場合に前記ガスによって発生するプラズマ（Ｐ）によって、前記発光層が深紫外光（Ｌ）を発する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深紫外発光素子及びその製造方法に関し、特に、発光効率が高く、大面積化に適し、製造が容易な深紫外発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
深紫外光源は、照明、殺菌、医療、浄水、計測等の様々な分野で使用されている。深紫外光は主に約２００〜約３５０ｎｍの波長を言う、場合によってはそれ以下の１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の波長も含む（以下、ＤＵＶ（Deep Ultraviolet）光とも記す）。深紫外光の発生手段としては、水銀ランプ、半導体発光素子（半導体ＬＥＤ）、エキシマランプなどが知られている。
【０００３】
水銀ランプでは、ガラス管内の水銀蒸気中でアーク放電を起こし、特定の波長の紫外光（例えば２５４ｎｍ）を発生させる。エキシマランプでは、放電用ガス（希ガス又は希ガスハロゲン化合物）を二重石英管中に充填し、石英管を通して電極間に高周波・高電圧を印加することによって、放電用ガスを励起して紫外光を発生させる。
【０００４】
一方、半導体ＬＥＤとしては、窒化物系深紫外発光素子が知られている（下記特許文献１参照）。特許文献１に開示された横型構造の素子では、電流がｎ型ＡｌＧａＮ層中を横方向に流れなければならないため、素子抵抗が高くなって発熱量が増大し、キャリアの注入効率への悪影響が生じる欠点がある。従って、高出力動作に適さない。また、チップサイズを大型化することができない。
【０００５】
この欠点を改善するための素子として、縦型構造の窒化物系深紫外発光素子が知られている（下記特許文献２、３参照）。特許文献２、３に開示された縦型構造によって、素子抵抗を小さくすることができるので、駆動効率を高め、発熱を抑えることができ、高出力動作が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３０７８１１号公報
【特許文献２】特開２００６−２７８５５４号公報
【特許文献３】特表２００６−１０４０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の深紫外光発生手段のうち、水銀ランプは環境に悪い水銀を使用している問題がある。また、水銀ランプは発生可能な波長が限定されており、寿命が短く、高電圧が必要であり使いにくい問題がある。
【０００８】
エキシマランプは、ランプ寿命が短く、大型の装置になるので、特殊な用途に限定される問題がある。
【０００９】
窒化物系深紫外発光素子は、小型であり、水銀ランプに代わるものとして期待されているが、特許文献１に開示された窒化物系深紫外発光素子は発光効率が低く、大出力化に対応できない問題がある。特許文献２、３に開示された窒化物系深紫外発光素子は小型化は出来るが、深紫外領域では、発光効率が低く大出力化が難しい。すなわち、多層構造が必要であり、ドーピングが必要でその準位が深いため担体濃度を上げることが出来ない。又、特に波長が短くなると電極の接触抵抗を下げることが難しい。これらのことにより、外部量子効率を上げることが難しく製造工程が複雑である。
【００１０】
従って、本発明は、上記の問題を解決し、高発光効率であり製造が容易な深紫外発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１２】
即ち、本発明の第１の深紫外発光素子は、上部基板と、下部基板と、前記下部基板の一方の面に形成された複数の電極と、前記上部基板の一方の面に形成された発光層と、前記上部基板及び前記下部基板が、前記電極と前記発光層とを対向させて配置されて形成された空間に充填されたガスとを備え、前記電極の間に電圧が印加された場合に前記ガスによって発生するプラズマによって、前記発光層が深紫外光を発することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第２の深紫外発光素子は、上記の第１の深紫外発光素子において、前記電極を覆って下部基板の前記一方の面に形成された誘電体層をさらに備え、前記電極の間に印加される電圧が交流電圧であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の第３の深紫外発光素子は、上記の第２の深紫外発光素子において、前記誘電体層の上に、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなる群の中から選択される少なくとも１つの材料からなる保護層、又は、ドーピングされた前記保護層を備えることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の第４の深紫外発光素子は、上記の第１の深紫外発光素子において、前記電極が前記ガスに露出され、前記電極の間に印加される電圧が直流電圧であることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の第５の深紫外発光素子は、上記の第１〜第４の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記電圧を印加される対を成す前記電極の各々に対応して発生する前記プラズマを、相互に離隔するための隔壁をさらに備えることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の第６の深紫外発光素子は、上記の第１〜第５の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記上部基板がサファイアで形成され、前記発光層が、ＡｌＧａＮ、ドーピングされたＡｌＧａＮ、深紫外を発光出来るダイアモンド、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｎＭｎＯ、又は窒化ボロンで形成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の第７の深紫外発光素子は、上記の第６の深紫外発光素子において、前記発光層が、超格子のＡｌＧａＮで形成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の第８の深紫外発光素子は、上記の第６又は第７の深紫外発光素子において、前記発光層がＡｌＧａＮであって、前記発光層中のＡｌの割合が、前記発光層の平面に沿って、あるいは前記発光層の平面の垂直方向に変化することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明の第９の深紫外発光素子は、上記の第１〜第８の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記発光層と前記電極との間隔が、前記電圧を印加される対を成す前記電極の間隔よりも狭いことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の第１０の深紫外発光素子は、上記の第１〜第９の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記ガスが、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ２及びＨ２からなる群の中から選択される少なくとも１種類のガスあるいはその混合ガスであることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の第１１の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１０の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記発光層の前記空間側の面に微少補助電極を備え、該補助電極に正電圧を印加して、前記空間に発生するプラズマ中の電子を引き付けることによって、前記空間に発生するプラズマ中の正イオン成分を前記発光層から遠ざけることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の第１２の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１１の深紫外発光素子の何れかにおいて、隣り合う前記電極の間隔、前記電極及び前記発光層の間隔、前記電極の幅、又は、前記電極の高さが、３００μｍ以下、又は３００μｍ〜１ｍｍであることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の第１３の深紫外発光素子は、上記の第１２の深紫外発光素子において、隣り合う前記電極の間隔、並びに、前記電極及び前記発光層の間隔の少なくとも一方が１μｍ以下であることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明の第１４の深紫外発光素子は、上記の第３の深紫外発光素子において、前記誘電体層及び前記保護層の少なくとも一方が、前記発光層と同じ組成の材料で形成されていることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の第１５の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１４の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記上部基板の前記発光層が形成された側の面、及び、前記上部基板の光が取り出される側の面の少なくとも一方の面ないし前記下部基板の一方の面あるいはその両方の面が、平面、凸面、凹面、柱状部分を有する面、壁状部分を有する面、又は、ランダムな高さを持つ形状の面であることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明の第１６の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１５の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記ガスが、密閉された前記空間に封入されている、又は、前記空間に前記ガスを流入させる手段を有することを特徴としている。
【００２８】
また、本発明の第１７の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１６の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記上部基板又は下部基板に、温度上昇を防ぐための金属又は熱導電性材料が密着されていることを特徴としている。
【００２９】
また、本発明の第１８の深紫外発光素子は、上記の第１の深紫外発光素子において、前記電圧が、直流電圧と交流電圧とが足し合わされた電圧であることを特徴としている。
【００３０】
また、本発明の第１９の深紫外発光素子は、上記の第１〜第５の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記発光層がＡｌＧａＩｎＮで形成され、前記深紫外光が、３５０ｎｍ以下１００ｎｍ以上の範囲内の波長を有する光であることを特徴としている。
【００３１】
また、本発明の第２０の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１９の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記ガスが充填された前記空間中に磁場を発生させる手段を前記電極の近傍に備え、発生する前記磁場によって、前記プラズマを増大させることを特徴としている。
【００３２】
一方、本発明の第１の深紫外発光素子の製造方法は、上部基板の一方の面に発光層を形成する第１ステップと、下部基板の一方の面に複数の電極を形成する第２ステップと、前記電極と前記発光層とを対向させて、前記上部基板及び前記下部基板を所定の間隔で接合し、空間を形成する第３ステップと、前記空間にガスを封入する第４ステップとを含み、前記発光層がＡｌＧａＮであり、前記ガスが、前記電極の間に電圧が印加された場合にプラズマを発生させるガスであることを特徴としている。
【００３３】
また、本発明の第２の深紫外発光素子の製造方法は、上記の第１の深紫外発光素子の製造方法において、前記第１ステップが、前記発光層中のＡｌの割合が前記発光層の平面方向又は前記発光層の平面に垂直方向に変化するように前記発光層を形成するステップであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、高い効率で深紫外光を発生させることができる。従来では、波長２００ｎｍの深紫外光の外部量子効率は、１０−４％程度であるが、本発明によれば１％以上の外部量子効率を実現することができ、最適化すれば外部量子効率を約１０％まで向上することが期待できる。なお、外部量子効率とは、投入電力エネルギーに対する発光エネルギーの比（％）である。また、従来の窒化物系深紫外発光素子で発光波長が２１０ｎｍでは数ｎＷ（ナノワット）の出力しか実現できていないが、本発明によれば１Ｗ以上の出力を実現も可能である。
【００３５】
本発明の深紫外発光素子は、構造が大変簡単であり、製造が容易である。即ち、従来の窒化物系深紫外発光素子では、製造に１週間以上かかるのに対して、本発明の深紫外発光素子では、約１日〜２日で製造することができる。また、大面積化も容易である。
【００３６】
また、発光層としてＡｌＧａＮを使用する場合、発光層中のＡｌの割合を空間的に変化させることによって、所定の幅広い波長帯域にわたって深紫外光を発生させることもできる。
【００３７】
また、電極に直流電圧を印加すれば、強度が時間的に安定な深紫外光を発生させることができるので、計測用途に使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る深紫外発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】放電開始電圧Ｖ、電極間隔ｄ、ガス圧ｐの関係を示すグラフである。
【図３】ＧａＡｌＮ中のＡｌの割合と発光波長の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の別の実施の形態に係る深紫外発光素子の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。
【００４０】
図１は、本発明の実施の形態に係る深紫外発光素子（以下、単に発光素子とも記す）１の概略構成を示す断面図である。本発光素子１は、下部基板２と、下部基板２の上に形成された電極３と、電極３を覆って下部基板２の上に形成された誘電体層４と、誘電体層４の上に形成された保護層５と、上部基板６と、上部基板６の上に保護層５と対向させて形成された発光層７とを備え、密閉空間８を形成するように構成されている。
【００４１】
隣接する電極３の間隔ｄは、例えば約３００μｍであり、保護層５と発光層７との間隔は、例えば約３００μｍである。電極３は、例えば金で形成されている。
【００４２】
密閉空間８には、マイクロプラズマを発生させるためのガス、例えばＸｅ及びＮｅの混合ガス（Ｘｅの体積割合が約５％）が充填されている。プラズマ発生の動作については後述するが、電極３に電圧を印加した場合に放電が開始する電圧（放電開始電圧）Ｖは、図２に示すように、電極３の間隔ｄおよび密閉空間８中のガスの圧力ｐに依存する。横軸は、ガス圧ｐと電極間隔ｄとの積、縦軸は放電開始電圧Ｖである。従って、放電開始電圧Ｖが極小となる条件で使用できるように、電極間隔ｄ、ガス圧ｐ、電極に印加する電圧を設計することが望ましい。
【００４３】
下部基板２は、例えばガラス基板である。上部基板６は、深紫外光に対する透過性の基板であり、例えば単結晶のサファイア基板である。
【００４４】
誘電体層４は、例えばガラスで形成されている。
【００４５】
保護層５は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。
【００４６】
発光層７は、例えば、厚さ約１μｍの単結晶ＡｌＧａＮの層である。なお、本明細書において、ＡｌＧａＮとの表記は、Ａｌ及びＧａのどちらか一方を含まない組成をも含む。即ち、ＡｌＧａＮには、ＡｌＮ、ＧａＮも含まれる。
【００４７】
次に、本発光素子１によるＤＵＶ光の発生動作について説明する。
外部の電源（図示せず）から、隣接する電極３に高周波電圧を印加する。例えば、周波数約１５〜２０ｋＨｚの電圧を印加する。これによって、隣接する電極３間に変動する電磁場が形成され、封入されているガスが電磁場よってマイクロプラズマＰを発生する。発生したマイクロプラズマＰによって、発光層７からＤＵＶ光Ｌが発生し、ＤＵＶ光Ｌは上部基板６を通って外部に放射される。
【００４８】
図３は、ＡｌＧａＮ中のＡｌの割合を変化させて、発生する光の波長をシミュレーションした結果を示すグラフである。ここで、Ａｌの割合とは、Ａｌ原子の数／（Ｇａ原子の数＋Ａｌ原子の数）である。図３において、Ａｌの割合が０である点はＧａＮに対応し、Ａｌの割合が１である点はＡｌＮに対応する。図３から分かるように、発生する光の波長は、ＡｌＧａＮ中のＡｌの割合に依存するので、例えば、水銀ランプが発する約２５４ｎｍのＤＵＶ光を発生させるには、Ａｌの割合を約０．６にすればよい。このように、発光素子１において発光層７としてＡｌＧａＮを採用する場合には、Ａｌの割合を調節すれば、約２００〜約３６０ｎｍのうちの任意の波長のＤＵＶ光を発生させることができる。
【００４９】
また、発光素子１において発光層７としてＡｌＧａＮを採用し、Ａｌの割合が縦方向ないし横方向を含む空間的に変化するように発光層７を形成すれば、複数の波長のＤＵＶ光や、所定帯域にわたって連続する波長のＤＵＶ光を発生させることができる。例えば、発光層７の面方向に（又は、面に向かって垂直方向に）Ａｌ濃度が変化するようにＡｌＧａＮを形成すればよい。
【００５０】
次に、本発明の実施の形態に係る深紫外発光素子１の製造方法について説明する。本製造方法では、上部構造と下部構造とを別に作製した後、それらを接合する。
【００５１】
上部構造の作製では、上部基板６（例えばサファイア基板）を真空チャンバ内に配置し、その上に発光層７を形成する。例えば、有機金属化学相蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって、発光層７としてＡｌＧａＮの単結晶を形成する。
【００５２】
下部構造の作製では、先ず、下部基板２を真空チャンバ内に配置し、リフトオフ法あるいは直接パターン蒸着法によって電極３を形成する。例えばリフトオフ法では、下部基板２の上に所定のマスクパターンを形成し、金属を蒸着した後、マスクパターンを除去して、残存する蒸着層を電極３として形成する。
【００５３】
次に、電極３が形成された側の下部基板２の面に、電極３を覆うように誘電体層４を、例えばスパッタリングによって形成する。誘電体層４の材質に応じて、スパッタリングの代わりに塗布などによって形成してもよい。
【００５４】
次に、誘電体層４の上に、保護層５（例えばＭｇＯ）を、例えば電子ビーム蒸着によって形成する。電子ビーム蒸着の代わりに、スパッタ蒸着などによって形成してもよい。
【００５５】
次に、上部構造と下部構造とを、電極３と発光層７とが対向するように、所定の間隔を空けて接合して準密閉空間を形成する。その後、真空状態の準密閉空間内に所定のガスを注入し、完全に密閉して密閉空間８を形成する。
以上によって深紫外発光素子１を製造することができる。
【００５６】
以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。
【００５７】
図２はその一例を示す。図２に示した本発明の別の実施の形態に係る深紫外発光素子１’は、図１に示した深紫外発光素子１においてマイクロプラズマの発生領域を区画するための隔壁９を備えている。隔壁９によって、発生したマイクロプラズマの横方向への拡散を抑制することができ、より多くのマイクロプラズマを上方に、即ち発光層７に向けて拡散させることができるので、発光効率をより大きくすることができる。
【００５８】
また、発光層７と保護層５との間隔は、上記した値に限定されない。上記では、プラズマによる発光層７の損傷を抑制するために、発光層７と保護層５との間隔を比較的大きく（電極間隔ｄと同じ約３００μｍ）設定する場合を説明した。しかし、発光層７と保護層５との間隔を、電極間隔ｄよりも狭くして、発光層７がプラズマにより多くさらされるようにすると、発光効率を高くすることができ、１０％以上の発光効率を実現することも可能である。ＡｌＧａＮは強度の大きい材料であるので、プラズマにさらされても損傷は少ないと考えられる。また、プラズマによる損傷を考慮して、発光層７を比較的厚く形成してもよい。例えば、発光層７と保護層５（又は電極３）との間隔は、約０．１μｍ〜１０μｍであることができる。
【００５９】
また、発光層７のプラズマによる損傷を抑制するために、発光層７の密閉空間８の側の表面に、複数の補助電極を備えてもよい。補助電極に正電圧を印加すれば、プラズマ中の電子が、発光層７側（補助電極）に引き付けられ又、プラズマ中の正イオンを発光層７から遠ざけることができ、発光層７の損傷を抑制することができる。複数の補助電極の配置パターンは、特に限定されないが、発光層７の表面上に一様な分布で配置させることが望ましい。なお、補助電極の大きさが大きくなると発光効率（外部量子効率）が低下するので、微少な補助電極を形成することが望ましい。即ち、補助電極を有する場合の発光効率が、補助電極を有しない場合の発光効率から大きく低下しない許容範囲内の値になるように、補助電極の大きさを設計することが望ましい。
【００６０】
また、発光層７は、超格子であってもよい。超格子であれば、発光効率をさらに大きくすることができる。この場合、超格子の発光層７の上に保護膜を形成してもよい。
【００６１】
また、発光層７は、Ｉｎを含むＡｌＧａＩｎＮであってもよい。ＡｌＧａＩｎＮ中のＩｎの割合は０％超１００％以下であることができる。ここで、Ｉｎの割合とは、Ｉｎ原子の数／（Ｇａ原子の数＋Ａｌ原子の数＋Ｉｎ原子の数）である。発光層７は、ＩｎＮあるいはＡｌＩｎＮ、あるいはＧａＩｎＮであってもよい。ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮの場合、Ａｌ、Ｇａの元素は０％以上１００％未満の値をとることができる。発光層７としてＡｌＧａＩｎＮを使用する場合、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの各割合を調節すれば、深紫外光（約２００〜約３５０ｎｍ）よりも長い波長の光を発生することができる。例えば４２０ｎｍ等の、波長が３５０ｎｍ以上の光を発生することができる。
【００６２】
また、深紫外を発光させる材料はＡｌＧａＮに限らずダイアモンド、その他深紫外を発光することが出来るいかなる材料であってもよい。
【００６３】
また、電極間隔ｄは、上記した値に限定されない。例えば、電極間隔ｄは約１０ｎｍ〜１μｍ、あるいは１μｍから３００μｍ、あるいは３００μｍから１ｍｍ、あるいはそれ以上であってもよい。電極の幅や高さも同様である。
【００６４】
また、電極３の形状及び配置は、発光層７のほぼ全面に、できるだけ一様にプラズマを発生させることができる形状及び配置であればよい。例えば、点電極を格子状に配置しても、線状の電極をストライプ状に配置しても、櫛形の電極を櫛歯を対向させて配置してもよい。
【００６５】
また、プラズマを発生させるための印加電圧は、上記したＲＦ波に限定されず、マイクロ波であってもよい。使用する周波数に応じて、電極間隔ｄ、ガスの種類及び圧力に応じて適切な印加電圧を設定することができる。例えば、直流電圧を印加してもよい。その場合には、誘電体層４および保護層５を備えず、電極３が直接、密閉空間内のガスと接するようにすればよい。直流電圧の場合にも、電極間隔ｄ、ガスの種類及び圧力に応じて適切な印加電圧を使用すればよく、例えば電極間隔により、あるいは封印ガス圧により１００〜１５０Ｖあるいはそれ以上又はそれ以下の直流電圧を使用することができる。直流電圧を使用すれば、ＲＦ波などの交流電圧による発光の時間的変動を抑制することができ、一定の出力が要求される計測用途に使用することが可能になる。また、プラズマを発生させるための印加電圧は、直流電圧と交流電圧とが足し合わされた電圧（交流電圧を直流電圧でバイアスした電圧）であってもよい。
【００６６】
また、下部基板、電極、誘電体層、保護層、発光層、上部基板、封入ガスは、上記した材質に限定されず、種々変更することができる。
【００６７】
上部基板は、サファイアに限らず、深紫外光に対して透過性が高く、発光層の形成が容易な材質であればよい。例えば、ＡｌＮあるいは石英でもよい。
【００６８】
また、発光層７として使用するＡｌＧａＮは、単結晶に限らず、多結晶、アモルファスであってもよく、蒸着膜であってもよい。又発光層７は、深紫外を発光出来るダイアモンド、希土類添加型ＡｌＧａＮあるいは、希土類添加型ＳｉＣ、又はＺｎＯ、ＺｎＭｎＯ、窒化ボロンであってもよい。
【００６９】
また、保護層５あるいは誘電体膜４は、ＡｌＮ、あるいは発光層と同じ組成、例えばＡｌＧａＮあるいは上記各材料であってもよい。保護層５にＡｌＮを使用すれば、保護層５からも波長約２００ｎｍのＤＵＶ光を発生させることができる。
【００７０】
また、保護層５は、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなる群の中から選択される材料で形成された層、又はそれらの材料が混合されて形成された層、さらにはそれらの層が積層されて形成された層であってもよい。また、それらの層に、ある種の材料が数ｐｐｍから数％の範囲でドーピングされていてもよい。
【００７１】
下部基板２、電極３、誘電体層４、及び保護層５は、ＤＵＶ光の取り出し方向に位置しないので、透光性の材料で形成される必要はない。電極３は導電性の材料で形成されていればよくＡｌ、Ｃｒ、ＮｉＣｕ等全ての金属を用いることができる。誘電体層４および保護層５は、電気絶縁材料で形成されていればよい。誘電体層４に十分なプラズマに対する強度があれば、保護層５を備えていなくてもよい。
【００７２】
また、本発明の紫外発光素子は、任意の大きさに形成されてもよく、曲面状に形成されてもよい。例えば、上部基板６や下部基板２の表面が曲面状に形成されていてもよい。また、上部基板６の、発光層７が形成された側の面並びに大気にさらされる光を取り出す面は、平面、凸面、凹面、柱状もしくは壁状等の特殊な形状を有する面、又は、ランダムな構造が形成された面など、任意の形状であってもよい。さらに、下部基板を上部基板に合わせ込んで形成する場合には、下部基板２の一方の面又は両面も同様に形成される。
【００７３】
また、上部基板６及び下部基板２が、電極３と発光層７とが対向するように配置されて形成された空間（密閉空間８に対応）は、密閉されていなくてもよく、ガスを流入させる手段を有していてもよい。
【００７４】
また、本発明の深紫外発光素子は、−５０℃〜１００℃の温度環境で使用されることができる。高温の環境で使用される場合には、深紫外発光素子の温度上昇を防ぐために、金属又はその他の熱導電性材料を、上部基板６や下部基板５に密着させた構造に形成することが望ましい。
【００７５】
また、プラズマをより強くたてるためにフェライト等の磁場発生手段を電極側に密着させ発光効率を上げることもできる。例えば、コイルに電流を流すことにより磁場が発生し、この磁場によって電子とイオンの運動の軌道が曲げられプラズマ化していないガスにも衝突する確率が上がり、プラズマ濃度が増大する。コイルに電流を流す代わりにフェライトの様な永久磁場でもよい。より具体的には、下部電極の裏側にフェライト板を貼り付けるかあるいは金属を蒸着して形成したコイルパターンに電流を流し、フェライトからの磁場あるいはコイルに電流を流して出来る磁場を用いることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１、１’ 深紫外発光素子
２ 下部基板
３ 電極
４ 誘電体層
５ 保護層
６ 上部基板
７ 発光層
８ 密閉空間
９ 隔壁
Ｐ マイクロプラズマ
Ｌ 深紫外光（ＤＵＶ光）
ｄ 電極間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深紫外発光素子及びその製造方法に関し、特に、発光効率が高く、大面積化に適し、製造が容易な深紫外発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
深紫外光源は、照明、殺菌、医療、浄水、計測等の様々な分野で使用されている。深紫外光は主に約２００〜約３５０ｎｍの波長を言う、場合によってはそれ以下の１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の波長も含む（以下、ＤＵＶ（Deep Ultraviolet）光とも記す）。深紫外光の発生手段としては、水銀ランプ、半導体発光素子（半導体ＬＥＤ）、エキシマランプなどが知られている。
【０００３】
水銀ランプでは、ガラス管内の水銀蒸気中でアーク放電を起こし、特定の波長の紫外光（例えば２５４ｎｍ）を発生させる。エキシマランプでは、放電用ガス（希ガス又は希ガスハロゲン化合物）を二重石英管中に充填し、石英管を通して電極間に高周波・高電圧を印加することによって、放電用ガスを励起して紫外光を発生させる。
【０００４】
一方、半導体ＬＥＤとしては、窒化物系深紫外発光素子が知られている（下記特許文献１参照）。特許文献１に開示された横型構造の素子では、電流がｎ型ＡｌＧａＮ層中を横方向に流れなければならないため、素子抵抗が高くなって発熱量が増大し、キャリアの注入効率への悪影響が生じる欠点がある。従って、高出力動作に適さない。また、チップサイズを大型化することができない。
【０００５】
この欠点を改善するための素子として、縦型構造の窒化物系深紫外発光素子が知られている（下記特許文献２、３参照）。特許文献２、３に開示された縦型構造によって、素子抵抗を小さくすることができるので、駆動効率を高め、発熱を抑えることができ、高出力動作が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３０７８１１号公報
【特許文献２】特開２００６−２７８５５４号公報
【特許文献３】特表２００６−１０４０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の深紫外光発生手段のうち、水銀ランプは環境に悪い水銀を使用している問題がある。また、水銀ランプは発生可能な波長が限定されており、寿命が短く、高電圧が必要であり使いにくい問題がある。
【０００８】
エキシマランプは、ランプ寿命が短く、大型の装置になるので、特殊な用途に限定される問題がある。
【０００９】
窒化物系深紫外発光素子は、小型であり、水銀ランプに代わるものとして期待されているが、特許文献１に開示された窒化物系深紫外発光素子は発光効率が低く、大出力化に対応できない問題がある。特許文献２、３に開示された窒化物系深紫外発光素子は小型化は出来るが、深紫外領域では、発光効率が低く大出力化が難しい。すなわち、多層構造が必要であり、ドーピングが必要でその準位が深いため担体濃度を上げることが出来ない。又、特に波長が短くなると電極の接触抵抗を下げることが難しい。これらのことにより、外部量子効率を上げることが難しく製造工程が複雑である。
【００１０】
従って、本発明は、上記の問題を解決し、高発光効率であり製造が容易な深紫外発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１２】
即ち、本発明の第１の深紫外発光素子は、上部基板と、下部基板と、前記下部基板の一方の面に形成された複数の電極と、前記上部基板の一方の面に形成された発光層と、前記上部基板及び前記下部基板が、前記電極と前記発光層とを対向させて配置されて形成された空間に充填されたガスとを備え、前記電極の間に電圧が印加された場合に前記ガスによって発生するプラズマによって、前記発光層が深紫外光を発することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第２の深紫外発光素子は、上記の第１の深紫外発光素子において、前記電極を覆って下部基板の前記一方の面に形成された誘電体層をさらに備え、前記電極の間に印加される電圧が交流電圧であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の第３の深紫外発光素子は、上記の第２の深紫外発光素子において、前記誘電体層の上に、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなる群の中から選択される少なくとも１つの材料からなる保護層、又は、ドーピングされた前記保護層を備えることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の第４の深紫外発光素子は、上記の第１の深紫外発光素子において、前記電極が前記ガスに露出され、前記電極の間に印加される電圧が直流電圧であることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の第５の深紫外発光素子は、上記の第１〜第４の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記電圧を印加される対を成す前記電極の各々に対応して発生する前記プラズマを、相互に離隔するための隔壁をさらに備えることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の第６の深紫外発光素子は、上記の第１〜第５の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記上部基板がサファイアで形成され、前記発光層が、ＡｌＧａＮ、ドーピングされたＡｌＧａＮ、深紫外を発光出来るダイアモンド、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｎＭｎＯ、又は窒化ボロンで形成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の第７の深紫外発光素子は、上記の第６の深紫外発光素子において、前記発光層が、超格子のＡｌＧａＮで形成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の第８の深紫外発光素子は、上記の第６又は第７の深紫外発光素子において、前記発光層がＡｌＧａＮであって、前記発光層中のＡｌの割合が、前記発光層の平面に沿って、あるいは前記発光層の平面の垂直方向に変化することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明の第９の深紫外発光素子は、上記の第１〜第８の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記発光層と前記電極との間隔が、前記電圧を印加される対を成す前記電極の間隔よりも狭いことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の第１０の深紫外発光素子は、上記の第１〜第９の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記ガスが、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ２及びＨ２からなる群の中から選択される少なくとも１種類のガスあるいはその混合ガスであることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の第１１の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１０の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記発光層の前記空間側の面に微少補助電極を備え、該補助電極に正電圧を印加して、前記空間に発生するプラズマ中の電子を引き付けることによって、前記空間に発生するプラズマ中の正イオン成分を前記発光層から遠ざけることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の第１２の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１１の深紫外発光素子の何れかにおいて、隣り合う前記電極の間隔、前記電極及び前記発光層の間隔、前記電極の幅、又は、前記電極の高さが、３００μｍ以下、又は３００μｍ〜１ｍｍであることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の第１３の深紫外発光素子は、上記の第１２の深紫外発光素子において、隣り合う前記電極の間隔、並びに、前記電極及び前記発光層の間隔の少なくとも一方が１μｍ以下であることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明の第１４の深紫外発光素子は、上記の第３の深紫外発光素子において、前記誘電体層及び前記保護層の少なくとも一方が、前記発光層と同じ組成の材料で形成されていることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の第１５の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１４の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記上部基板の前記発光層が形成された側の面、及び、前記上部基板の光が取り出される側の面の少なくとも一方の面ないし前記下部基板の一方の面あるいはその両方の面が、平面、凸面、凹面、柱状部分を有する面、壁状部分を有する面、又は、ランダムな高さを持つ形状の面であることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明の第１６の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１５の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記ガスが、密閉された前記空間に封入されている、又は、前記空間に前記ガスを流入させる手段を有することを特徴としている。
【００２８】
また、本発明の第１７の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１６の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記上部基板又は下部基板に、温度上昇を防ぐための金属又は熱導電性材料が密着されていることを特徴としている。
【００２９】
また、本発明の第１８の深紫外発光素子は、上記の第１の深紫外発光素子において、前記電圧が、直流電圧と交流電圧とが足し合わされた電圧であることを特徴としている。
【００３０】
また、本発明の第１９の深紫外発光素子は、上記の第１〜第５の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記発光層がＡｌＧａＩｎＮで形成され、前記深紫外光が、３５０ｎｍ以下１００ｎｍ以上の範囲内の波長を有する光であることを特徴としている。
【００３１】
また、本発明の第２０の深紫外発光素子は、上記の第１〜第１９の深紫外発光素子の何れかにおいて、前記ガスが充填された前記空間中に磁場を発生させる手段を前記電極の近傍に備え、発生する前記磁場によって、前記プラズマを増大させることを特徴としている。
【００３２】
一方、本発明の第１の深紫外発光素子の製造方法は、上部基板の一方の面に発光層を形成する第１ステップと、下部基板の一方の面に複数の電極を形成する第２ステップと、前記電極と前記発光層とを対向させて、前記上部基板及び前記下部基板を所定の間隔で接合し、空間を形成する第３ステップと、前記空間にガスを封入する第４ステップとを含み、前記発光層がＡｌＧａＮであり、前記ガスが、前記電極の間に電圧が印加された場合にプラズマを発生させるガスであることを特徴としている。
【００３３】
また、本発明の第２の深紫外発光素子の製造方法は、上記の第１の深紫外発光素子の製造方法において、前記第１ステップが、前記発光層中のＡｌの割合が前記発光層の平面方向又は前記発光層の平面に垂直方向に変化するように前記発光層を形成するステップであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、高い効率で深紫外光を発生させることができる。従来では、波長２００ｎｍの深紫外光の外部量子効率は、１０−４％程度であるが、本発明によれば１％以上の外部量子効率を実現することができ、最適化すれば外部量子効率を約１０％まで向上することが期待できる。なお、外部量子効率とは、投入電力エネルギーに対する発光エネルギーの比（％）である。また、従来の窒化物系深紫外発光素子で発光波長が２１０ｎｍでは数ｎＷ（ナノワット）の出力しか実現できていないが、本発明によれば１Ｗ以上の出力を実現も可能である。
【００３５】
本発明の深紫外発光素子は、構造が大変簡単であり、製造が容易である。即ち、従来の窒化物系深紫外発光素子では、製造に１週間以上かかるのに対して、本発明の深紫外発光素子では、約１日〜２日で製造することができる。また、大面積化も容易である。
【００３６】
また、発光層としてＡｌＧａＮを使用する場合、発光層中のＡｌの割合を空間的に変化させることによって、所定の幅広い波長帯域にわたって深紫外光を発生させることもできる。
【００３７】
また、電極に直流電圧を印加すれば、強度が時間的に安定な深紫外光を発生させることができるので、計測用途に使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る深紫外発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】放電開始電圧Ｖ、電極間隔ｄ、ガス圧ｐの関係を示すグラフである。
【図３】ＧａＡｌＮ中のＡｌの割合と発光波長の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の別の実施の形態に係る深紫外発光素子の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。
【００４０】
図１は、本発明の実施の形態に係る深紫外発光素子（以下、単に発光素子とも記す）１の概略構成を示す断面図である。本発光素子１は、下部基板２と、下部基板２の上に形成された電極３と、電極３を覆って下部基板２の上に形成された誘電体層４と、誘電体層４の上に形成された保護層５と、上部基板６と、上部基板６の上に保護層５と対向させて形成された発光層７とを備え、密閉空間８を形成するように構成されている。
【００４１】
隣接する電極３の間隔ｄは、例えば約３００μｍであり、保護層５と発光層７との間隔は、例えば約３００μｍである。電極３は、例えば金で形成されている。
【００４２】
密閉空間８には、マイクロプラズマを発生させるためのガス、例えばＸｅ及びＮｅの混合ガス（Ｘｅの体積割合が約５％）が充填されている。プラズマ発生の動作については後述するが、電極３に電圧を印加した場合に放電が開始する電圧（放電開始電圧）Ｖは、図２に示すように、電極３の間隔ｄおよび密閉空間８中のガスの圧力ｐに依存する。横軸は、ガス圧ｐと電極間隔ｄとの積、縦軸は放電開始電圧Ｖである。従って、放電開始電圧Ｖが極小となる条件で使用できるように、電極間隔ｄ、ガス圧ｐ、電極に印加する電圧を設計することが望ましい。
【００４３】
下部基板２は、例えばガラス基板である。上部基板６は、深紫外光に対する透過性の基板であり、例えば単結晶のサファイア基板である。
【００４４】
誘電体層４は、例えばガラスで形成されている。
【００４５】
保護層５は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。
【００４６】
発光層７は、例えば、厚さ約１μｍの単結晶ＡｌＧａＮの層である。なお、本明細書において、ＡｌＧａＮとの表記は、Ａｌ及びＧａのどちらか一方を含まない組成をも含む。即ち、ＡｌＧａＮには、ＡｌＮ、ＧａＮも含まれる。
【００４７】
次に、本発光素子１によるＤＵＶ光の発生動作について説明する。
外部の電源（図示せず）から、隣接する電極３に高周波電圧を印加する。例えば、周波数約１５〜２０ｋＨｚの電圧を印加する。これによって、隣接する電極３間に変動する電磁場が形成され、封入されているガスが電磁場よってマイクロプラズマＰを発生する。発生したマイクロプラズマＰによって、発光層７からＤＵＶ光Ｌが発生し、ＤＵＶ光Ｌは上部基板６を通って外部に放射される。
【００４８】
図３は、ＡｌＧａＮ中のＡｌの割合を変化させて、発生する光の波長をシミュレーションした結果を示すグラフである。ここで、Ａｌの割合とは、Ａｌ原子の数／（Ｇａ原子の数＋Ａｌ原子の数）である。図３において、Ａｌの割合が０である点はＧａＮに対応し、Ａｌの割合が１である点はＡｌＮに対応する。図３から分かるように、発生する光の波長は、ＡｌＧａＮ中のＡｌの割合に依存するので、例えば、水銀ランプが発する約２５４ｎｍのＤＵＶ光を発生させるには、Ａｌの割合を約０．６にすればよい。このように、発光素子１において発光層７としてＡｌＧａＮを採用する場合には、Ａｌの割合を調節すれば、約２００〜約３６０ｎｍのうちの任意の波長のＤＵＶ光を発生させることができる。
【００４９】
また、発光素子１において発光層７としてＡｌＧａＮを採用し、Ａｌの割合が縦方向ないし横方向を含む空間的に変化するように発光層７を形成すれば、複数の波長のＤＵＶ光や、所定帯域にわたって連続する波長のＤＵＶ光を発生させることができる。例えば、発光層７の面方向に（又は、面に向かって垂直方向に）Ａｌ濃度が変化するようにＡｌＧａＮを形成すればよい。
【００５０】
次に、本発明の実施の形態に係る深紫外発光素子１の製造方法について説明する。本製造方法では、上部構造と下部構造とを別に作製した後、それらを接合する。
【００５１】
上部構造の作製では、上部基板６（例えばサファイア基板）を真空チャンバ内に配置し、その上に発光層７を形成する。例えば、有機金属化学相蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって、発光層７としてＡｌＧａＮの単結晶を形成する。
【００５２】
下部構造の作製では、先ず、下部基板２を真空チャンバ内に配置し、リフトオフ法あるいは直接パターン蒸着法によって電極３を形成する。例えばリフトオフ法では、下部基板２の上に所定のマスクパターンを形成し、金属を蒸着した後、マスクパターンを除去して、残存する蒸着層を電極３として形成する。
【００５３】
次に、電極３が形成された側の下部基板２の面に、電極３を覆うように誘電体層４を、例えばスパッタリングによって形成する。誘電体層４の材質に応じて、スパッタリングの代わりに塗布などによって形成してもよい。
【００５４】
次に、誘電体層４の上に、保護層５（例えばＭｇＯ）を、例えば電子ビーム蒸着によって形成する。電子ビーム蒸着の代わりに、スパッタ蒸着などによって形成してもよい。
【００５５】
次に、上部構造と下部構造とを、電極３と発光層７とが対向するように、所定の間隔を空けて接合して準密閉空間を形成する。その後、真空状態の準密閉空間内に所定のガスを注入し、完全に密閉して密閉空間８を形成する。
以上によって深紫外発光素子１を製造することができる。
【００５６】
以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。
【００５７】
図２はその一例を示す。図２に示した本発明の別の実施の形態に係る深紫外発光素子１’は、図１に示した深紫外発光素子１においてマイクロプラズマの発生領域を区画するための隔壁９を備えている。隔壁９によって、発生したマイクロプラズマの横方向への拡散を抑制することができ、より多くのマイクロプラズマを上方に、即ち発光層７に向けて拡散させることができるので、発光効率をより大きくすることができる。
【００５８】
また、発光層７と保護層５との間隔は、上記した値に限定されない。上記では、プラズマによる発光層７の損傷を抑制するために、発光層７と保護層５との間隔を比較的大きく（電極間隔ｄと同じ約３００μｍ）設定する場合を説明した。しかし、発光層７と保護層５との間隔を、電極間隔ｄよりも狭くして、発光層７がプラズマにより多くさらされるようにすると、発光効率を高くすることができ、１０％以上の発光効率を実現することも可能である。ＡｌＧａＮは強度の大きい材料であるので、プラズマにさらされても損傷は少ないと考えられる。また、プラズマによる損傷を考慮して、発光層７を比較的厚く形成してもよい。例えば、発光層７と保護層５（又は電極３）との間隔は、約０．１μｍ〜１０μｍであることができる。
【００５９】
また、発光層７のプラズマによる損傷を抑制するために、発光層７の密閉空間８の側の表面に、複数の補助電極を備えてもよい。補助電極に正電圧を印加すれば、プラズマ中の電子が、発光層７側（補助電極）に引き付けられ又、プラズマ中の正イオンを発光層７から遠ざけることができ、発光層７の損傷を抑制することができる。複数の補助電極の配置パターンは、特に限定されないが、発光層７の表面上に一様な分布で配置させることが望ましい。なお、補助電極の大きさが大きくなると発光効率（外部量子効率）が低下するので、微少な補助電極を形成することが望ましい。即ち、補助電極を有する場合の発光効率が、補助電極を有しない場合の発光効率から大きく低下しない許容範囲内の値になるように、補助電極の大きさを設計することが望ましい。
【００６０】
また、発光層７は、超格子であってもよい。超格子であれば、発光効率をさらに大きくすることができる。この場合、超格子の発光層７の上に保護膜を形成してもよい。
【００６１】
また、発光層７は、Ｉｎを含むＡｌＧａＩｎＮであってもよい。ＡｌＧａＩｎＮ中のＩｎの割合は０％超１００％以下であることができる。ここで、Ｉｎの割合とは、Ｉｎ原子の数／（Ｇａ原子の数＋Ａｌ原子の数＋Ｉｎ原子の数）である。発光層７は、ＩｎＮあるいはＡｌＩｎＮ、あるいはＧａＩｎＮであってもよい。ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮの場合、Ａｌ、Ｇａの元素は０％以上１００％未満の値をとることができる。発光層７としてＡｌＧａＩｎＮを使用する場合、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの各割合を調節すれば、深紫外光（約２００〜約３５０ｎｍ）よりも長い波長の光を発生することができる。例えば４２０ｎｍ等の、波長が３５０ｎｍ以上の光を発生することができる。
【００６２】
また、深紫外を発光させる材料はＡｌＧａＮに限らずダイアモンド、その他深紫外を発光することが出来るいかなる材料であってもよい。
【００６３】
また、電極間隔ｄは、上記した値に限定されない。例えば、電極間隔ｄは約１０ｎｍ〜１μｍ、あるいは１μｍから３００μｍ、あるいは３００μｍから１ｍｍ、あるいはそれ以上であってもよい。電極の幅や高さも同様である。
【００６４】
また、電極３の形状及び配置は、発光層７のほぼ全面に、できるだけ一様にプラズマを発生させることができる形状及び配置であればよい。例えば、点電極を格子状に配置しても、線状の電極をストライプ状に配置しても、櫛形の電極を櫛歯を対向させて配置してもよい。
【００６５】
また、プラズマを発生させるための印加電圧は、上記したＲＦ波に限定されず、マイクロ波であってもよい。使用する周波数に応じて、電極間隔ｄ、ガスの種類及び圧力に応じて適切な印加電圧を設定することができる。例えば、直流電圧を印加してもよい。その場合には、誘電体層４および保護層５を備えず、電極３が直接、密閉空間内のガスと接するようにすればよい。直流電圧の場合にも、電極間隔ｄ、ガスの種類及び圧力に応じて適切な印加電圧を使用すればよく、例えば電極間隔により、あるいは封印ガス圧により１００〜１５０Ｖあるいはそれ以上又はそれ以下の直流電圧を使用することができる。直流電圧を使用すれば、ＲＦ波などの交流電圧による発光の時間的変動を抑制することができ、一定の出力が要求される計測用途に使用することが可能になる。また、プラズマを発生させるための印加電圧は、直流電圧と交流電圧とが足し合わされた電圧（交流電圧を直流電圧でバイアスした電圧）であってもよい。
【００６６】
また、下部基板、電極、誘電体層、保護層、発光層、上部基板、封入ガスは、上記した材質に限定されず、種々変更することができる。
【００６７】
上部基板は、サファイアに限らず、深紫外光に対して透過性が高く、発光層の形成が容易な材質であればよい。例えば、ＡｌＮあるいは石英でもよい。
【００６８】
また、発光層７として使用するＡｌＧａＮは、単結晶に限らず、多結晶、アモルファスであってもよく、蒸着膜であってもよい。又発光層７は、深紫外を発光出来るダイアモンド、希土類添加型ＡｌＧａＮあるいは、希土類添加型ＳｉＣ、又はＺｎＯ、ＺｎＭｎＯ、窒化ボロンであってもよい。
【００６９】
また、保護層５あるいは誘電体膜４は、ＡｌＮ、あるいは発光層と同じ組成、例えばＡｌＧａＮあるいは上記各材料であってもよい。保護層５にＡｌＮを使用すれば、保護層５からも波長約２００ｎｍのＤＵＶ光を発生させることができる。
【００７０】
また、保護層５は、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなる群の中から選択される材料で形成された層、又はそれらの材料が混合されて形成された層、さらにはそれらの層が積層されて形成された層であってもよい。また、それらの層に、ある種の材料が数ｐｐｍから数％の範囲でドーピングされていてもよい。
【００７１】
下部基板２、電極３、誘電体層４、及び保護層５は、ＤＵＶ光の取り出し方向に位置しないので、透光性の材料で形成される必要はない。電極３は導電性の材料で形成されていればよくＡｌ、Ｃｒ、ＮｉＣｕ等全ての金属を用いることができる。誘電体層４および保護層５は、電気絶縁材料で形成されていればよい。誘電体層４に十分なプラズマに対する強度があれば、保護層５を備えていなくてもよい。
【００７２】
また、本発明の紫外発光素子は、任意の大きさに形成されてもよく、曲面状に形成されてもよい。例えば、上部基板６や下部基板２の表面が曲面状に形成されていてもよい。また、上部基板６の、発光層７が形成された側の面並びに大気にさらされる光を取り出す面は、平面、凸面、凹面、柱状もしくは壁状等の特殊な形状を有する面、又は、ランダムな構造が形成された面など、任意の形状であってもよい。さらに、下部基板を上部基板に合わせ込んで形成する場合には、下部基板２の一方の面又は両面も同様に形成される。
【００７３】
また、上部基板６及び下部基板２が、電極３と発光層７とが対向するように配置されて形成された空間（密閉空間８に対応）は、密閉されていなくてもよく、ガスを流入させる手段を有していてもよい。
【００７４】
また、本発明の深紫外発光素子は、−５０℃〜１００℃の温度環境で使用されることができる。高温の環境で使用される場合には、深紫外発光素子の温度上昇を防ぐために、金属又はその他の熱導電性材料を、上部基板６や下部基板５に密着させた構造に形成することが望ましい。
【００７５】
また、プラズマをより強くたてるためにフェライト等の磁場発生手段を電極側に密着させ発光効率を上げることもできる。例えば、コイルに電流を流すことにより磁場が発生し、この磁場によって電子とイオンの運動の軌道が曲げられプラズマ化していないガスにも衝突する確率が上がり、プラズマ濃度が増大する。コイルに電流を流す代わりにフェライトの様な永久磁場でもよい。より具体的には、下部電極の裏側にフェライト板を貼り付けるかあるいは金属を蒸着して形成したコイルパターンに電流を流し、フェライトからの磁場あるいはコイルに電流を流して出来る磁場を用いることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１、１’ 深紫外発光素子
２ 下部基板
３ 電極
４ 誘電体層
５ 保護層
６ 上部基板
７ 発光層
８ 密閉空間
９ 隔壁
Ｐ マイクロプラズマ
Ｌ 深紫外光（ＤＵＶ光）
ｄ 電極間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部基板と、
下部基板と、
前記下部基板の一方の面に形成された複数の電極と、
前記上部基板の一方の面に形成された発光層と、
前記上部基板及び前記下部基板が、前記電極と前記発光層とを対向させて配置されて形成された空間に充填されたガスとを備え、
前記電極の間に電圧が印加された場合に前記ガスによって発生するプラズマによって、前記発光層が深紫外光を発することを特徴とする深紫外発光素子。
【請求項２】
前記電極を覆って下部基板の前記一方の面に形成された誘電体層をさらに備え、
前記電極の間に印加される電圧が交流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
【請求項３】
前記誘電体層の上に、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなる群の中から選択される少なくとも１つの材料からなる保護層、又は、ドーピングされた前記保護層を備えることを特徴とする請求項２に記載の深紫外発光素子。
【請求項４】
前記電極が前記ガスに露出され、
前記電極の間に印加される電圧が直流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
【請求項５】
前記電圧を印加される対を成す前記電極の各々に対応して発生する前記プラズマを、相互に離隔するための隔壁をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項６】
前記上部基板がサファイアで形成され、
前記発光層が、ＡｌＧａＮ、ドーピングされたＡｌＧａＮ、深紫外を発光出来るダイアモンド、ドーピングされたＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｎＭｎＯ、又は窒化ボロンで形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項７】
前記発光層が、超格子のＡｌＧａＮで形成されていることを特徴とする請求項６に記載の深紫外発光素子。
【請求項８】
前記発光層がＡｌＧａＮであって、
前記発光層中のＡｌの割合が、前記発光層の平面に沿って、あるいは前記発光層の平面の垂直方向に変化することを特徴とする請求項６又は７に記載の深紫外発光素子。
【請求項９】
前記発光層と前記電極との間隔が、前記電圧を印加される対を成す前記電極の間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１０】
前記ガスが、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ２及びＨ２からなる群の中から選択される少なくとも１種類のガスあるいはその混合ガスであることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１１】
前記発光層の前記空間側の面に微少補助電極を備え、
該補助電極に正電圧を印加して、前記空間に発生するプラズマ中の電子を引き付けることによって、前記空間に発生するプラズマ中の正イオン成分を前記発光層から遠ざけることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１２】
隣り合う前記電極の間隔、前記電極及び前記発光層の間隔、前記電極の幅、又は、前記電極の高さが、３００μｍ以下、又は３００μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１３】
隣り合う前記電極の間隔、並びに、前記電極及び前記発光層の間隔の少なくとも一方が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の深紫外発光素子。
【請求項１４】
前記誘電体層及び前記保護層の少なくとも一方が、前記発光層と同じ組成の材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の深紫外発光素子。
【請求項１５】
前記上部基板の前記発光層が形成された側の面、及び、前記上部基板の光が取り出される側の面の少なくとも一方の面ないし前記下部基板の一方の面あるいはその両方の面が、平面、凸面、凹面、柱状部分を有する面、壁状部分を有する面、又は、ランダムな高さを持つ形状の面であることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１６】
前記ガスが、密閉された前記空間に封入されている、又は、
前記空間に前記ガスを流入させる手段を有することを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１７】
前記上部基板又は下部基板に、温度上昇を防ぐための金属又は熱導電性材料が密着されていることを特徴とする請求項１〜１６の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１８】
前記電圧が、直流電圧と交流電圧とが足し合わされた電圧であることを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
【請求項１９】
前記発光層がＡｌＧａＩｎＮで形成され、
前記深紫外光が、３５０ｎｍ以下１００ｎｍ以上の範囲内の波長を有する光であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項２０】
前記ガスが充填された前記空間中に磁場を発生させる手段を前記電極の近傍に備え、
発生する前記磁場によって、前記プラズマを増大させることを特徴とする請求項１〜１９の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項２１】
上部基板の一方の面に発光層を形成する第１ステップと、
下部基板の一方の面に複数の電極を形成する第２ステップと、
前記電極と前記発光層とを対向させて、前記上部基板及び前記下部基板を所定の間隔で接合し、空間を形成する第３ステップと、
前記空間にガスを封入する第４ステップとを含み、
前記発光層がＡｌＧａＮであり、
前記ガスが、前記電極の間に電圧が印加された場合にプラズマを発生させるガスであることを特徴とする深紫外発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記第１ステップが、前記発光層中のＡｌの割合が前記発光層の平面方向又は前記発光層の平面に垂直方向に変化するように前記発光層を形成するステップであることを特徴とする請求項２１に記載の深紫外発光素子の製造方法。
【請求項１】
上部基板と、
下部基板と、
前記下部基板の一方の面に形成された複数の電極と、
前記上部基板の一方の面に形成された発光層と、
前記上部基板及び前記下部基板が、前記電極と前記発光層とを対向させて配置されて形成された空間に充填されたガスとを備え、
前記電極の間に電圧が印加された場合に前記ガスによって発生するプラズマによって、前記発光層が深紫外光を発することを特徴とする深紫外発光素子。
【請求項２】
前記電極を覆って下部基板の前記一方の面に形成された誘電体層をさらに備え、
前記電極の間に印加される電圧が交流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
【請求項３】
前記誘電体層の上に、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなる群の中から選択される少なくとも１つの材料からなる保護層、又は、ドーピングされた前記保護層を備えることを特徴とする請求項２に記載の深紫外発光素子。
【請求項４】
前記電極が前記ガスに露出され、
前記電極の間に印加される電圧が直流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
【請求項５】
前記電圧を印加される対を成す前記電極の各々に対応して発生する前記プラズマを、相互に離隔するための隔壁をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項６】
前記上部基板がサファイアで形成され、
前記発光層が、ＡｌＧａＮ、ドーピングされたＡｌＧａＮ、深紫外を発光出来るダイアモンド、ドーピングされたＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｎＭｎＯ、又は窒化ボロンで形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項７】
前記発光層が、超格子のＡｌＧａＮで形成されていることを特徴とする請求項６に記載の深紫外発光素子。
【請求項８】
前記発光層がＡｌＧａＮであって、
前記発光層中のＡｌの割合が、前記発光層の平面に沿って、あるいは前記発光層の平面の垂直方向に変化することを特徴とする請求項６又は７に記載の深紫外発光素子。
【請求項９】
前記発光層と前記電極との間隔が、前記電圧を印加される対を成す前記電極の間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１０】
前記ガスが、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ２及びＨ２からなる群の中から選択される少なくとも１種類のガスあるいはその混合ガスであることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１１】
前記発光層の前記空間側の面に微少補助電極を備え、
該補助電極に正電圧を印加して、前記空間に発生するプラズマ中の電子を引き付けることによって、前記空間に発生するプラズマ中の正イオン成分を前記発光層から遠ざけることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１２】
隣り合う前記電極の間隔、前記電極及び前記発光層の間隔、前記電極の幅、又は、前記電極の高さが、３００μｍ以下、又は３００μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１３】
隣り合う前記電極の間隔、並びに、前記電極及び前記発光層の間隔の少なくとも一方が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の深紫外発光素子。
【請求項１４】
前記誘電体層及び前記保護層の少なくとも一方が、前記発光層と同じ組成の材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の深紫外発光素子。
【請求項１５】
前記上部基板の前記発光層が形成された側の面、及び、前記上部基板の光が取り出される側の面の少なくとも一方の面ないし前記下部基板の一方の面あるいはその両方の面が、平面、凸面、凹面、柱状部分を有する面、壁状部分を有する面、又は、ランダムな高さを持つ形状の面であることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１６】
前記ガスが、密閉された前記空間に封入されている、又は、
前記空間に前記ガスを流入させる手段を有することを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１７】
前記上部基板又は下部基板に、温度上昇を防ぐための金属又は熱導電性材料が密着されていることを特徴とする請求項１〜１６の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項１８】
前記電圧が、直流電圧と交流電圧とが足し合わされた電圧であることを特徴とする請求項１に記載の深紫外発光素子。
【請求項１９】
前記発光層がＡｌＧａＩｎＮで形成され、
前記深紫外光が、３５０ｎｍ以下１００ｎｍ以上の範囲内の波長を有する光であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項２０】
前記ガスが充填された前記空間中に磁場を発生させる手段を前記電極の近傍に備え、
発生する前記磁場によって、前記プラズマを増大させることを特徴とする請求項１〜１９の何れか１項に記載の深紫外発光素子。
【請求項２１】
上部基板の一方の面に発光層を形成する第１ステップと、
下部基板の一方の面に複数の電極を形成する第２ステップと、
前記電極と前記発光層とを対向させて、前記上部基板及び前記下部基板を所定の間隔で接合し、空間を形成する第３ステップと、
前記空間にガスを封入する第４ステップとを含み、
前記発光層がＡｌＧａＮであり、
前記ガスが、前記電極の間に電圧が印加された場合にプラズマを発生させるガスであることを特徴とする深紫外発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記第１ステップが、前記発光層中のＡｌの割合が前記発光層の平面方向又は前記発光層の平面に垂直方向に変化するように前記発光層を形成するステップであることを特徴とする請求項２１に記載の深紫外発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１２４０００（Ｐ２０１１−１２４０００Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８１３０（Ｐ２００９−２７８１３０）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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