(57)【要約】【課題】  放電空間から光を発する発光素子において、放電空間の微細化に適した構造を提供する。【解決手段】  本発明の発光素子は、凹部を有する基板と、凹部の内部に設けられた第１電極および第２電極と、凹部の開口部分を封止する封止材と、凹部の内部に封入され、第１電極と第２電極の間の放電によって発光する発光物質とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する基板と、
前記凹部の内部に設けられた第１電極および第２電極と、
前記凹部の開口部分を封止する封止材と、
前記凹部の内部に封入され、前記第１電極と前記第２電極の間の放電によって発光する発光物質と
を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発光素子において、
フォトリソ・エッチングのプロセスにより、前記基板に前記凹部が形成された
ことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、導電性膜をパターニングして形成される
ことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記第１電極および前記第２電極の内、マイナス電位が印加される電極の少なくとも放電部位をカーボンナノチューブで構成した
ことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記基板はシリコン基板であり、
前記封止材は前記発光物質の光を透過する材質であり、前記封止材を透過して光を放射する
ことを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記基板は前記発光物質の光を透過する材質である
ことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記基板または前記封止材には、前記凹部に前記発光物質を注入するための注入経路が設けられる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記基板には、前記凹部が複数設けられ、
前記第１電極および前記第２電極は、複数の前記凹部ごとに設けられ、
前記封止材は、複数の前記凹部の開口部分を封止し、
前記発光物質は、複数の前記凹部に封入された
を備えたことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、放電現象により発光する発光管が知られている。この種の発光管は、封止する発光物質の違いによって、水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、キセノンランプなどに分けられる。この発光管の構成はほぼ共通している。すなわち、ガラス管の内部に２つの電極を配置し、このガラス管内に発光物質を封止して構成される。これら２つの電極間に電圧を印加することによって電極間の放電を開始させ、放電空間に存在する発光物質を発光させる。
【０００３】
また、特許文献１には、放電現象を利用したフラットパネルディスプレイが開示されている。このフラットパネルディスプレイは、隔壁を井桁状に組み合わせたものを、上下からガラス基板で挟んで組み立てられる。この井桁に区画された放電空間を発光画素として点灯制御することによりディスプレイ表示を可能にしている。
【特許文献１】特開2000-48710号公報（図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の発光管では、ガラス管内を放電空間とするため、放電空間を微細化することが困難であった。
また、特許文献１では、隔壁を井桁に組み合わせて構成するために構造が複雑で、放電空間を微細化することがやはり困難であった。
そこで、本発明は、放電空間の微細化に適した発光素子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】
【０００５】
《１》  本発明の発光素子は、凹部を有する基板と、凹部の内部に設けられた第１電極および第２電極と、凹部の開口部分を封止する封止材と、凹部の内部に封入され、第１電極と第２電極の間の放電によって発光する発光物質とを備える。
【０００６】
《２》  なお好ましくは、フォトリソ・エッチングのプロセスにより、基板に凹部が形成される。
【０００７】
《３》  また好ましくは、第１電極および第２電極の少なくとも一方は、導電性膜をパターニングして形成される。
【０００８】
《４》  なお好ましくは、第１電極および第２電極の内、マイナス電位が印加される電極の少なくとも放電部位を、カーボンナノチューブで構成する。
【０００９】
《５》  また好ましくは、基板は、シリコン基板である。一方、封止材は、発光物質の光を透過する材質であり、この封止材を透過して光を放射させる。
【００１０】
《６》  なお好ましくは、基板は、発光物質の光を透過する材質である。
【００１１】
《７》  また好ましくは、基板または封止材には、凹部に発光物質を注入するための注入経路が設けられることを特徴とする。
【００１２】
《８》  なお好ましくは、基板に、凹部を複数設ける。これらの凹部に第１電極および第２電極をそれぞれ設けて、封止材で凹部の開口部分を封止する。発光物質は、これら複数の凹部に封入される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、基板に凹部を設けて発光物質を封止することにより、この凹部を放電空間として利用する。この場合、隔壁を井桁に組む特許文献１の従来技術に比べ、構成要素の数や構成を簡略にすることができる。その結果、放電空間の微細化に適した発光素子が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［発光素子の構成］
図１［Ａ］は、発光素子１１の上面図である。
この発光素子１１は、シリコン基板２１を土台として形成される。このシリコン基板２１の面には、複数の窪みが凹部１２として形成される。これら凹部１２の配置位置は、発光素子１１の表示配列に合わせて設計される。なお好ましくは、シリコン基板２１には、点灯回路１３も形成される。この点灯回路１３は、点灯用の駆動電圧を出力する電圧出力回路、この駆動電圧を凹部１２に個別に供給制御することで凹部１２ごとの点灯制御を行うスイッチ回路などから構成される。なお、このスイッチ回路は、凹部１２ごとに個別に配置してもよい。
【００１５】
図１［Ｂ］は、凹部１２の断面図である。
この凹部１２の内側には、絶縁膜２２が設けられる。この絶縁膜２２を介してシリコン基板２１と電気的に絶縁して、導電性膜からなる電極２３，２４が設けられる。これら電極２３，２４の材質としては、発光時の温度上昇に堪えられる高融点金属（例えばタングステンなど）が好ましい。これら電極２３，２４の寸法は、例えば、膜厚は２μｍ程度、幅１００μｍ程度とすることが好ましい。これら電極２３、２４は、凹部１２の内部において、例えば１００μｍ以下の間隔を離して対向配置される。なお、具体的な電極間隔は、印加する電圧、封止する発光物質、放電電極の材質、膜厚や幅に応じて、放電現象が安定に発生するよう実験的に決定することが好ましい。
【００１６】
これら電極２３，２４には、点灯回路１３から駆動電圧が印加される。この内、マイナス電位が印加される電極２４の放電部位（ここでは電極２３になるべく近い先端付近）には、カーボンナノチューブ２５が設けられる。
シリコン基板２１の面には、発光物質の光を透過する封止材（ここでは封止ガラス２７）が固着される。この封止ガラス２７によって、凹部１２の開口部分は封止される。なお、封止ガラス２７の接着面には、絶縁膜２６が設けられる。この絶縁膜２６は、凹部１２間の経路に形成される電極２３，２４の配線層を平坦化するものであり、凹部１２の気密性を高める効果を発揮する。
【００１７】
なお、絶縁膜２６は必ずしも必要ではない。例えば、絶縁膜２６の代わりに、層間に浸透して隙間を埋めるタイプの層を挟むことで、凹部１２の気密性を高めることも可能である。また、開口部分の封止は、外界に対して凹部１２の気密性を保つことが目的であり、複数の凹部１２の間まで完全に気密性を保つ必要はない。
このように封止された凹部１２の内部には、電極２３，２４間の放電現象によって発光する発光物質２８が封入される。例えば、発光物質２８として、水銀と臭化インジウムを使用する。より一般的には、この種の発光物質２８として、放電始動用の物質（アルゴンガス・キセノンガスなど）と、発光用の添加物（水銀・ナトリウム・金属ハロゲン化合物など）とを混合使用することが好ましい。なお、封止ガラスや凹部に蛍光物質などを入れてもよい。
【００１８】
［発光素子の製造方法］
図２および図３は、発光素子１１の製造手順を示す図である。
以下、図２および図３を用いて、発光素子１１の製造方法を説明する。
まず、シリコン基板２１の上に、点灯回路１３を先に形成しておく。シリコン基板２１の上には、点灯回路１３の形成に際して、フィールド酸化膜２９が設けられる。次に、フォトリソ工程により、凹部１２の予定領域が開口したレジスト膜を、シリコン基板２１にパターン形成する。このレジスト膜をマスクとしてフィールド酸化膜２９をエッチングした後、シリコン基板２１をドライエッチングし、例えば５０〜１００μｍ程度の窪みを形成して凹部１２とする。なお、ＴＭＡＨ溶液などによるウェットエッチングを実施してもよいが、この場合には、点灯回路１３を保護するマスクを形成しておくことが好ましい。このようなエッチング後にレジストを除去し、図２［Ａ］の状態を得る。
【００１９】
次に、プラズマＣＶＤ法でシリコン酸化膜を形成して、絶縁膜２２を設ける。この工程により、図２［Ｂ］の状態を得る。なお、正確には、エッチングされなかったフィールド酸化膜２９が残っているが、ここでは図示を省略する。
さらに、凹部１２の内側にシリコン酸化膜をパターン形成して、犠牲層３０とする。これにより、図２［Ｃ］の状態を得る。なお、犠牲層３０として、レジストやシリコン窒化膜を用いてもよい。
【００２０】
この状態で、スパッタリングによってタングステン膜を形成し、タングステン膜をパターニングして電極２３，２４を形成する。これにより、図２［Ｄ］の状態を得る。この工程において、点灯回路１３と電極２３，２４との電気的接続を完成してもよいし、また、この電気的接続のための配線層や接続箇所を後工程で設けてもよい。
なお、絶縁膜２２に配線溝を形成した後で配線を埋め込む方法（ダマシン法）を用いて、電極２３，２４の配線表面を平坦化してもよい。
【００２１】
次に、プラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜を形成し、絶縁膜２６とする。これにより、図３［Ｅ］の状態を得る。
なお、マイナス電位が印加される電極２４の先端付近には、図３［Ｆ］に示すように、カーボンナノチューブ２５が形成される。
このカーボンナノチューブ２５は、例えば次の手順で形成される。まず、電極２４の先端付近に、直径数ｎｍの触媒粒子を析出させる。この状態で反応炉全体を加熱しながら、ハイドロカーボンガス（炭化水素画素）を流入させる。触媒粒子に接触したハイドロカーボンは水素を排出しながらグラフェンシートを編成して成長し、触媒粒子を種としたカーボンナノチューブを形成する。このとき、触媒粒子の粒径を制御することによって、所望の層数のカーボンナノチューブを得ることもできる。
【００２２】
次に、犠牲層３０を除去して、凹部１２内の電極２３、２４を中空に浮かせる。なお、除去する犠牲層１３をレジストなどとした場合には、絶縁膜２６をシリコン窒化膜にする必要はなく、シリコン酸化膜にすることも可能である。
その後、発光物質２８を凹部１２に入れた状態で、封止ガラス２７をシリコン基板２１に接合する。この接合には、表面活性化接合法などを用いることで、凹部１２の気密性を高めることが好ましい。これにより、図３［Ｇ］の状態を得る。
以上の工程により、発光素子１１が完成する。
【００２３】
［発光素子の発光動作］
次に、発光素子１１の発光動作について説明する。
まず、点灯回路１３から電極２３，２４に駆動電圧が印加される。すると、電極２４側のカーボンナノチューブ２５の先端部は電界が集中し、その電界によって比較的低い電圧で電子が放出される。これを契機として、電極２３，２４間で放電が始まる。この放電現象によって発光物質２８は、励起されて光を発する。この光は、凹部１２の内壁で効率的に反射されるなどして、封止ガラス２７を透過して外部へ放出される。
【００２４】
複数の凹部１２を全体的に発光させたり、短時間の走査発光を繰り返すことによって、発光素子１１を、平面光源とすることができる。このような発光形態により、液晶表示素子のバックライトなどに好適な、薄膜フラットで省スペースの平面光源が得られる。
また、複数の凹部１２を点灯制御することにより、発光素子１１を画像表示素子として使用することも可能である。この場合、色フィルタアレイを凹部１２毎に配置することにより発光色を多色化して、発光素子１１をカラー画像表示素子とすることも可能である。また、発光波長の異なる発光物質を凹部１２に周期的に封入することにより発光色を多色化して、発光素子１１をカラー画像表示素子とすることも可能である。
【００２５】
［本実施形態の効果など］
（１）  本実施形態は、シリコン基板２１に窪みを形成して凹部１２とし、この凹部１２を放電空間として利用する。したがって、特許文献１の「隔壁を井桁に組む構造」に比べて、発光素子の構成を簡略にできる。その結果、放電空間の微細化が容易となる。
【００２６】
（２）  また、本実施形態は、通常の半導体素子の製造プロセスを用いて製造する。したがって、大量かつ安価に発光素子１１を製造することができる。特に、本実施形態は、フォトリソ・エッチングの工程により、凹部１２を形成する。したがって、放電空間である凹部１２を更に微細化することも可能になる。
【００２７】
（３）  さらに、本実施形態は、電極２３，２４を、半導体素子の製造プロセスを用いてパターニングする。したがって、電極２３，２４の先端を自在に微細加工することができる。例えば、電子放出する電極２４の先端を先鋭化することにより、電子放出効率を高めることなどが可能になる。
【００２８】
（４）  その上、本実施形態は、電子放出する電極２４の放電部位にカーボンナノチューブを設ける。このカーボンナノチューブは径が極めて細いため、先端部に電界が集中し、高電界が発生する。その結果、比較的低い駆動電圧の印加によって電子を効率良く放出することができる。また、カーボンナノチューブは、許容電流密度が高いなどの長所を有するため、高輝度の発光素子１１を実現することも可能になる。
【００２９】
（５）  また、本実施形態では、犠牲層３０を除去することによって、凹部１２内において、電極２３、２４を宙に浮かべる。したがって、電極２３，２４間の放電路の邪魔となる基板表面などが近傍になく、空中の発光物質に放電流を効率的に作用させることが可能になる。その結果、高い発光効率を得ることができる。
【００３０】
（６）  なお、本実施形態では、半導体プロセスを使用して発光素子を製造するため、基板に点灯回路も合わせて形成することができる。したがって、外付けの点灯回路などが不要となり、省スペースの発光機能素子を実現することが可能になる。
【００３１】
［実施形態の補足事項］
なお、本実施形態では、発光素子１１に凹部１２を複数形成する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、発光素子１１に凹部１２を一つだけ形成してもよい。特に、本実施形態では、半導体素子の製造プロセスを用いるため、凹部１２を微細化したり、電極２３，２４の間隔を極めて近づけるが可能になる。その結果、発光面積の微細な光源、すなわちほぼ理想的な点光源を実現することが可能になる。このような点光源を用いた光学装置は、点光源として理想的で厳密な光学設計が可能になるなどの利点を有する。
【００３２】
また、本実施形態では、電極２４の先端付近にカーボンナノチューブ２５を設けている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。カーボンナノチューブ２５を設けず、電極２３，２４間で直接に放電を行ってもよい。
【００３３】
また例えば、電極２４全体をカーボンナノチューブで構成してもよい。さらに、電極２３にカーボンナノチューブを設けてもよい。また、電極２３全体をカーボンナノチューブで構成してもよい。このとき、電極２３，２４の双方をカーボンナノチューブとしてもよい。
【００３４】
なお、本実施形態は、プラス電位が印加される電極２３を、電子やプラズマを効率的に受けるように拡幅してもよい。例えば、凹部１２の椀状の内壁に電極２３を設けることが好ましい。このような電極２３の拡幅によって放電流の径を広げることができる。その結果、より多くの発光物質に拡幅した放電流を作用させることが可能となり、高い発光効率を得ることができる。また、拡幅により電極２３が丈夫になるため、発光素子１１の長寿命化を実現することができる。
【００３５】
また、本実施形態では、発光素子１１を直流駆動するケースについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。電極２３，２４に交流電圧を印加することにより、発光素子１１を交流駆動することも可能である。この場合、電極２３，２４には、交互にマイナス電位が印加されるため、電極２３，２４双方にカーボンナノチューブを設けることが好ましい。
【００３６】
なお、本実施形態では、複数の凹部１２を独立に気密室とすることが可能である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図４［Ａ］に示すように、凹部１２の間に溝を設けて、注入経路４０を形成してもよい。この注入経路４０の両端には、ガス注入／排出口４１がそれぞれ素子面に露出して設けられる。このような注入経路４０の溝は、凹部１２のエッチング処理時に同時形成することが、処理工程を増やさない観点から好ましい。
【００３７】
また例えば、図４［Ｂ］に示すように、封止ガラス２７側に溝を形成することで、注入経路４０ａを形成してもよい。
これらの構成では、ガス注入／排出口４１に気圧差を与えることで、発光物質２８を新規に注入したり、または後から補充することが可能となる。このような発光物質２８の注入後、ガス注入／排出口４１をガラスや金属などで封止することにより、複数の凹部１２に発光物質２８を封止することができる。このように発光素子１１の製造後に発光物質２８を後から随時に注入できるため、発光素子１１の製造時に発光物質２８を封入する必要がなくなる。その結果、発光素子１１の製造コストを低減できる。
【００３８】
また、本実施形態では、凹部１２の土台としてシリコン基板２１を用いた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。半導体製造プロセスに使用可能な基板であれば、シリコン基板に限られない。例えば、ガラス基板やセラミック基板を、凹部の土台として使用することができる。
【００３９】
図５は、発光物質の光を透過する基板（ここではガラス基板２１ａ）を土台にした構造を示す図である。この発光素子１１ａでは、表裏の両面が光を透過するため、光を両面放射する発光素子を実現することができる。また、この場合、どちらか一方の面に反射膜を形成することにより、光を片面放射する発光素子を実現することもできる。
【００４０】
なお、本実施形態では、基板に点灯回路も合わせて形成している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。点灯回路の一部または全部を外付けにしてもよい。例えば、点灯用の駆動電圧を供給する電圧出力回路を外付けとし、この駆動電圧を凹部１２に個別に供給して点灯制御を行うスイッチ回路を基板上に形成してもよい。
【００４１】
また、本実施形態では、２つの電極２３，２４間において放電を開始する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。放電開始用の補助電極を凹部１２内に別途設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上説明したように、本発明は、発光素子などに利用可能な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】発光素子１１の構造を示す図である。
【図２】発光素子１１の製造手順（前半）を示す図である。
【図３】発光素子１１の製造手順（後半）を示す図である。
【図４】発光物質の注入経路を説明する図である。
【図５】ガラス基板２１ａを土台にした発光素子１１ａを示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１１  発光素子，１２  凹部，２１  シリコン基板，２１ａ  ガラス基板，２２，２６  絶縁膜，２３，２４  電極，２５  カーボンナノチューブ，２７  封止ガラス，２８  発光物質，４０  注入経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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