(57)【要約】【課題】発光強度の経時的な低下を抑制することができる紫外光発光素子を提供する。【解決手段】第１の基体１０と、第１の基体１０の主面上に位置する複数の電極２０と、第１の基体１０の主面上に位置し、複数の電極２０を覆う誘電体層３０と、誘電体層３０上に位置し、紫外光を発する発光層であって、複数の電極２０の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域９３より、第２の領域９３とは異なる誘電体層３０上の第１の領域９２において厚い発光層４０と、発光層４０に対向して位置する第２の基体１１とを備え、第１の基体１０と第２の基体１１との間の放電空間１２には、所定のガスが充填され、発光層４０は、ガス中における複数の電極２０間の放電によって紫外光を発する。【選択図】図１
2016201352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基体と、
前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、
前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、
前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層であって、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域より、前記第２の領域とは異なる前記誘電体層上の第１の領域において厚い第１の発光層と、
前記第１の発光層に対向して位置する第２の基体とを備え、
前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、
前記第１の発光層は、前記第２の基体に対向する面に凹凸形状を有し、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発する
紫外光発光素子。
【請求項２】
前記第２の領域における前記第１の発光層の厚さは、１０μｍ未満である
請求項１に記載の紫外光発光素子。
【請求項３】
第１の基体と、
前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、
前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、
前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層であって、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域に位置せず、前記第２の領域とは異なる前記誘電体層上の第１の領域に位置する第１の発光層と、
前記第１の発光層に対向して位置する第２の基体とを備え、
前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、
前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発する
紫外光発光素子。
【請求項４】
さらに、
前記第２の領域に位置し、含有する材料又はその含有量が前記第１の発光層とは異なり、かつ、前記第１の発光層より前記紫外光の発光強度が低い第２の発光層を備える
請求項３に記載の紫外光発光素子。
【請求項５】
前記第１の発光層及び前記第２の発光層はそれぞれ、ハロゲン原子と、前記紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウムとを含有し、
前記第２の発光層が含有するハロゲン原子の量は、前記第１の発光層が含有するハロゲン原子の量より少ない
請求項４に記載の紫外光発光素子。
【請求項６】
前記第１の発光層及び前記第２の発光層はそれぞれ、前記紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウムを含有し、
前記第１の発光層は、さらに、ハロゲン原子を含有し、
前記第２の発光層は、ハロゲン原子を含有しない
請求項４に記載の紫外光発光素子。
【請求項７】
さらに、
前記第１の発光層と前記誘電体層との間に位置し、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム及び酸化ストロンチウムの少なくとも１つを含有する薄膜を備える
請求項１〜６のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
【請求項８】
前記第２の領域は、前記複数の電極の直上の領域の全てを含む、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
【請求項９】
第１の基体と、
前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、
前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、
前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層と、
前記第１の発光層上に位置し、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム及び酸化ストロンチウムの少なくとも１つを含有する薄膜と、
前記薄膜に対向して位置する第２の基体とを備え、
前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、
前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発する
紫外光発光素子。
【請求項１０】
前記薄膜は、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第３の領域に位置し、前記第３の領域とは異なる前記第１の発光層上の第４の領域に位置しない、
請求項９に記載の紫外光発光素子。
【請求項１１】
前記第３の領域は、前記複数の電極の直上の領域の全てを含む、
請求項１０に記載の紫外光発光素子。
【請求項１２】
前記第１の発光層は、前記紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウムを含有する
請求項１〜４及び９〜１１のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
【請求項１３】
前記第１の発光層は、さらに、ハロゲン原子を含有する
請求項１２に記載の紫外光発光素子。
【請求項１４】
前記ハロゲン原子は、フッ素である
請求項５、６又は１３に記載の紫外光発光素子。
【請求項１５】
さらに、
前記第２の基体の主面又は当該主面の反対側に位置し、前記紫外光を発する第３の発光層を備える
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
【請求項１６】
前記所定のガスは、ネオン及びキセノンを含む
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
【請求項１７】
前記紫外光のピーク波長は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲に存在する
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の紫外光発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、紫外光発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長が約２００ｎｍ〜３５０ｎｍである深紫外光は、殺菌、浄水、リソグラフ、照明などの様々な分野で利用されている。従来、深紫外光の光源としては、水銀をグロー放電させる水銀ランプが広く使われている。しかし、環境負荷の観点から、例えば欧州のＷＥＥＥ＆ＲｏＨＳ指令のような、水銀などの環境有害物質に対する規制が厳しくなっている。このため、水銀ランプに代わる光源の開発が望まれている。また、水銀ランプは点発光であるため、大面積で均一な強度の光を必要とするリソグラフなどに利用する場合、複雑な光源設計が必要となるなどの問題もある。
【０００３】
水銀を用いない深紫外光の光源としては、例えば、深紫外光を発するＤＵＶ−ＬＥＤ（Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ−Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）が挙げられる。あるいは、深紫外光の光源としては、塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）等の放電ガスをバリア放電により励起させて深紫外光を取り出すエキシマランプが挙げられる。
【０００４】
また、水銀を用いない深紫外光の光源としては、キセノン（Ｘｅ）等の希ガスをバリア放電により励起させて発生させた真空紫外光を蛍光体に照射することで深紫外光を取り出す、バリア放電と蛍光体とを組み合わせた深紫外光発光素子もある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。具体的には、特許文献１は、基板に複数の電極を設け、紫外光を発光する蛍光体を設けた放電空間内で、電極に交流電圧を印加することで放電させ、面発光の紫外光を発する発光素子を開示している。特許文献２は、紫外光を発する発光層を内部に形成した複数の放電細長管を並列に配置し、放電によって発生した真空紫外光を発光層に照射することにより深紫外光で面発光するデバイスを開示している。これらのようなバリア放電と蛍光体とを組み合わせた深紫外光発光素子は、放電が局所的に発生するため形状の自由度が高く、複雑な光源設計が不要となる可能性があり優位性を持つ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５０５３６５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９３９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の深紫外光発光素子では、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができないという課題がある。
【０００７】
そこで、本開示は、発光強度の経時的な低下を抑制することができる紫外光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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本開示の一態様に係る紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層であって、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域より、前記第２の領域とは異なる前記誘電体層上の第１の領域において厚い第１の発光層と、前記第１の発光層に対向して位置する第２の基体とを備え、前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発する。前記第１の発光層は、前記第２の基体に対向する面に凹凸形状を有していてもよい。
【０００９】
また、本開示の一態様に係る紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層であって、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域に位置せず、前記第２の領域とは異なる前記誘電体層上の第１の領域に位置する第１の発光層と、前記第１の発光層に対向して位置する第２の基体とを備え、前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発してもよい。
【００１０】
また、本開示の一態様に係る紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層と、前記第１の発光層上に位置し、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム及び酸化ストロンチウムの少なくとも１つを含有する薄膜と、前記薄膜に対向して位置する第２の基体とを備え、前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本開示に係る紫外光発光素子によれば、発光強度の経時的な低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る紫外光発光素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る紫外光発光素子の電極の構造を示す平面図である。
【図３】実施の形態１に係る紫外光発光素子を製造する際に用いる機能的加熱炉の概要を示す模式図である。
【図４】実施の形態１に係る機能的加熱炉の温度プロファイルの一例を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る封着工程のガス及びその流れを示す図である。
【図６】発光層に粉末状のＭｇＯを用いた場合の反射率と透過率との膜厚依存性を示すグラフである。
【図７】発光層に用いる発光材料毎の発光強度を示すグラフである。
【図８】実施の形態１の変形例に係る紫外光発光素子の構成を示す断面図である。
【図９】実施の形態１及びその変形例並びに比較例に係る紫外光発光素子の特性の評価結果を示す図である。
【図１０】実施の形態２に係る紫外光発光素子の構成を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２及び比較例に係る紫外光発光素子の特性の評価結果を示す図である。
【図１２】実施の形態３に係る紫外光発光素子の構成を示す断面図である。
【図１３】実施の形態３及び比較例に係る紫外光発光素子の特性の評価結果を示す図である。
【図１４】実施の形態４に係る紫外光発光素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本開示の概要）
まず、本開示に係る紫外光発光素子の概要について説明する。
【００１４】
本発明者らの調査の結果、特許文献１及び特許文献２に開示された紫外光発光素子のように、電極を覆う誘電体層上に発光層が形成されている場合、発光層が放電に伴うイオン衝撃に曝されることで発光層を変質させてしまうことが分かった。このため、紫外光発光素子を連続点灯させると発光強度が経時的に低下するという課題が発生することを、本発明者らは新たに見出した。
【００１５】
さらに、紫外光発光素子の放電開始電圧は、電極を覆う誘電体層付近の放電に曝されている領域の二次電子放出特性に影響を受ける。このため、電極を覆う誘電体層又は保護層の直上に発光層が形成された場合、二次電子放出特性が低下するために放電開始電圧が上昇することが分かった。さらに、電極を覆う誘電体層の電極直上付近は、放電を継続するための壁電荷が蓄積される領域でもあるため、電極直上の誘電体層上に発光層が形成されていると放電が持続しにくいことが分かった。
【００１６】
以上のことから、特許文献１及び特許文献２に開示された紫外光発光素子では、連続点灯による発光強度の経時的な低下が大きくなるという課題がある。さらに、放電を開始するための電圧（放電開始電圧）、及び、その放電を維持するための電圧（放電維持電圧）も高くなり、紫外光発光素子の発光強度を低下させるという課題があることも新たに分かった。
【００１７】
そこで、本開示は、上記従来の課題を解決するものであり、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる紫外光発光素子を提供することを目的とする。
【００１８】
上記目的を達成するために、本開示の一態様に係る紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層であって、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域より、前記第２の領域とは異なる前記誘電体層上の第１の領域において厚い第１の発光層と、前記第１の発光層に対向して位置する第２の基体とを備え、前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発する。前記第１の発光層は、前記第２の基体に対向する面が凹凸形状を有していてもよい。
【００１９】
これにより、電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域において発光層が薄いので、紫外光発光素子全体の発光強度における第２の領域の発光強度が占める割合を小さくすることができる。したがって、連続点灯によって経時的に発光層の第２の領域の発光強度が低下したとしても、紫外光発光素子全体の発光強度に与える影響は少なく、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【００２０】
また、第２の領域において発光層が薄いので、放電開始電圧は、発光層の直下方向における誘電体層の影響を受けやすくなる。したがって、例えば、発光層より二次電子放出特性が良い誘電体層を設けることで、放電開始電圧を低下させることができる。
【００２１】
また、例えば、前記第２の領域における前記第１の発光層の厚さは、１０μｍ未満であってもよい。
【００２２】
これにより、第２の領域における発光層の厚さが１０μｍ未満であるので、発光層が発した紫外光が透過しやすくなる。電極側に透過した紫外光は誘電体層によって吸収されるので、第２の領域の発光強度を予め、より低くすることができる。したがって、紫外光発光素子全体の発光強度における第２の領域の発光強度が占める割合を一層小さくすることができるので、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【００２３】
また、例えば、前記紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層であって、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第２の領域に位置せず、前記第２の領域とは異なる前記誘電体層上の第１の領域に位置する第１の発光層と、前記第１の発光層に対向して位置する第２の基体とを備え、前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発してもよい。
【００２４】
これにより、第２の領域、すなわち、電極の直上の領域の少なくとも一部には発光層が設けられていない。したがって、紫外光発光素子全体の発光強度における第２の領域の発光強度が占める割合を略０にすることができるので、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【００２５】
また、例えば、前記紫外光発光素子は、さらに、前記第２の領域に位置し、含有する材料又はその含有量が前記第１の発光層とは異なり、かつ、前記第１の発光層より前記紫外光の発光強度が低い第２の発光層を備えてもよい。
【００２６】
これにより、電極の直上の第２の領域に位置する第２の発光層の発光強度が、電極の直上ではない第１の領域に位置する第１の発光層の発光強度より低いので、紫外光発光素子全体の発光強度における第２の領域の発光強度が占める割合を小さくすることができる。したがって、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【００２７】
また、例えば、前記第１の発光層及び前記第２の発光層はそれぞれ、ハロゲン原子と、前記紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウムとを含有し、前記第２の発光層が含有するハロゲン原子の量は、前記第１の発光層が含有するハロゲン原子の量より少なくてもよい。
【００２８】
これにより、ハロゲン原子の含有量を調整することで、第２の発光層の発光強度を変更することができる。
【００２９】
また、例えば、前記第１の発光層及び前記第２の発光層はそれぞれ、前記紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウムを含有し、前記第１の発光層は、さらに、ハロゲン原子を含有し、前記第２の発光層は、ハロゲン原子を含有しなくてもよい。
【００３０】
これにより、第２の発光層の発光強度を第１の発光層の発光強度よりも充分に小さくすることができる。したがって、紫外光発光素子全体の発光強度における第２の領域の発光強度が占める割合を一層小さくすることができるので、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【００３１】
また、例えば、前記紫外光発光素子は、さらに、前記第１の発光層と前記誘電体層との間に位置し、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム及び酸化ストロンチウムの少なくとも１つを含有する薄膜を備えてもよい。
【００３２】
これにより、保護層を設けることで、連続点灯による二次電子放出特性の変化を小さくすることができ、放電強度の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、例えば、前記紫外光発光素子は、第１の基体と、前記第１の基体の主面上に位置する複数の電極と、前記第１の基体の前記主面上に位置し、前記複数の電極を覆う誘電体層と、前記誘電体層上に位置し、紫外光を発する第１の発光層と、前記第１の発光層上に位置し、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム及び酸化ストロンチウムの少なくとも１つを含有する薄膜と、前記薄膜に対向して位置する第２の基体とを備え、前記第１の基体と前記第２の基体との間の空間には、所定のガスが充填され、前記第１の発光層は、前記ガス中における前記複数の電極間の放電によって前記紫外光を発してもよい。前記薄膜は、前記複数の電極の直上の領域の少なくとも一部を含む第３の領域に位置し、前記第３の領域とは異なる前記第１の発光層上の第４の領域に位置しなくてもよい。前記第２または第３の領域は、前記複数の電極の直上の領域の全てを含んでいてもよい。
【００３４】
これにより、第１の発光層上に保護層が設けられているので、第１の発光層が放電に直接曝されるのを抑制することができる。したがって、第１の発光層の変質を抑制し、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【００３５】
また、例えば、前記第１の発光層は、前記紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウムを含有してもよい。
【００３６】
これにより、例えば、酸化マグネシウムは二次電子放出特性が高い材料であるので、放電開始電圧を低くすることができる。また、酸化マグネシウムは耐イオン衝撃が高い材料であるので、放電に伴うイオン衝撃による発光層の変質を抑制することができる。
【００３７】
また、例えば、前記第１の発光層は、さらに、ハロゲン原子を含有してもよい。
【００３８】
これにより、粉末状の酸化マグネシウムにハロゲン原子を含有させることで、紫外光の発光を強くすることができる。
【００３９】
また、例えば、前記ハロゲン原子は、フッ素であってもよい。
【００４０】
これにより、粉末状の酸化マグネシウムにフッ素を含有させることで、紫外光の発光を強くすることができる。
【００４１】
また、例えば、紫外光発光素子は、さらに、前記第２の基体の主面又は当該主面の反対側に位置し、前記紫外光を発する第３の発光層を備えてもよい。
【００４２】
これにより、第２の領域の発光強度の割合をさらに小さくすることができるため、紫外光発光素子の発光強度の経時的な変化をさらに小さくすることができる。
【００４３】
また、例えば、所定のガスは、ネオン及びキセノンを含んでもよい。
【００４４】
これにより、ネオン及びキセノンの混合ガスは放電により約１４７ｎｍの励起光を放出する。このため、例えば、ＭｇＯ粉末は約１５０ｎｍの励起光で効率良く発光するので、発光強度を高めることができる。
【００４５】
また、例えば、前記紫外光のピーク波長は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲に存在してもよい。
【００４６】
これにより、紫外光発光素子を殺菌、浄水、リソグラフなどに特に有効に利用することができる。
【００４７】
以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００４８】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００４９】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。
【００５０】
また、本明細書において、「上方」又は「上」及び「下方」又は「下」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。具体的には、第１の基体の主面に直交する方向であって、第１の基体から第２の基体に向かう方向を「上方」又は「上」とし、その反対方向を「下方」又は「下」とする。また、「上方」又は「上」及び「下方」又は「下」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素が接触しない場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接触する場合にも適用される。
【００５１】
（実施の形態１）
［１．構成］
［１−１．概要］
以下、本開示の実施の形態１に係る紫外光発光素子の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る紫外光発光素子１の構成を示す断面図である。
【００５２】
紫外光発光素子１は、バリア放電と蛍光体とを組み合わせた紫外光発光素子である。本実施の形態では、紫外光発光素子１は、図１に示すように、第１の基体１０と、第２の基体１１と、複数の電極２０と、誘電体層３０と、発光層４０と、保護層５０と、発光層６０と、封着材７０と、チップ管８１とを備える。
【００５３】
具体的には、紫外光発光素子１では、第１の基体１０と第２の基体１１とを封着材７０を介して接合することで、放電空間１２を形成している。第１の基体１０には、放電９０を発生させるための電圧を印加する複数の電極２０が配設され、電極２０を覆うように誘電体層３０が積層されている。誘電体層３０上の放電空間１２側には、イオン衝撃から誘電体層３０を保護する保護層５０と、紫外光を発する発光層４０とが形成されている。
【００５４】
発光層４０及び発光層６０が発した紫外光は、第２の基体１１側から素子外部に出射される（同図中の紫外光９１）。なお、紫外光９１は、具体的には、ピーク波長が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の範囲に存在する深紫外光である。例えば、紫外光９１のピーク波長は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲に存在する。
【００５５】
以下では、紫外光発光素子１が備える各構成要素について、詳細に説明する。
【００５６】
［１−２．基体］
第１の基体１０及び第２の基体１１は、主面同士が互いに対向して位置する。本実施の形態では、第２の基体１１は、発光層４０に対向して位置する。具体的には、第１の基体１０と第２の基体１１とは、所定の距離、離間させて配置される。例えば、所定の距離は、１ｍｍである。本実施の形態では、第１の基体１０及び第２の基体１１はそれぞれ、平板である。例えば、第１の基体１０及び第２の基体１１の各々の形状及び大きさは、略同じである。
【００５７】
第１の基体１０と第２の基体１１とは、封着材７０などによって、各々の外周部分が気密封着されている。これにより、第１の基体１０と第２の基体１１との間には、放電空間１２が形成される。放電空間１２には、キセノン（Ｘｅ）、塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）、フッ素（Ｆ２）、ネオン（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ２）などの放電ガスが所定の圧力で封入されている。本実施の形態では、例えば、放電空間１２には、ネオン及びキセノンを含むガスが充填されている。
【００５８】
第１の基体１０及び第２の基体１１の少なくとも一方は、発光層４０及び発光層６０で発生した紫外光を素子外部に取り出すため、紫外光を透過する材料から形成される。紫外光を透過する材料としては、例えば、紫外光を透過しやすい特殊ガラス、石英ガラス（ＳｉＯ２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、又は、サファイアガラス（Ａｌ２Ｏ３）などを用いることができる。これらの材料は、第１の基体１０及び第２の基体１１の両方に用いてもよく、片方だけに用いてもよい。片方だけに用いる場合、もう一方の基体の材料としては、一般的な高歪点ガラスを用いることができる。
【００５９】
本実施の形態では、第２の基体１１は、発光層４０及び発光層６０で発生した深紫外光を外部に取り出すため、深紫外光を透過するサファイアから形成される。また、第１の基体１０は、一般的な低融点高歪点ガラスを用いている。例えば、第１の基体１０又は第２の基体１１として、熱膨張係数が一般的なガラス、又は、保護層５０として形成されるＭｇＯ薄膜などに熱膨張係数が近いサファイアを用いた場合、保護層５０及び封着材７０の割れ及び亀裂の発生を抑制することができる。
【００６０】
［１−３．電極］
複数の電極２０は、誘電体層３０と第１の基体１０との間に位置する。具体的には、複数の電極２０は、第１の基体１０の主面上に位置する。なお、当該主面は、第１の基体１０が有する主面であって、第２の基体１１側、すなわち、放電空間１２側の面（上面）である。
【００６１】
複数の電極２０は、誘電体層３０に覆われている。本実施の形態では、複数の電極２０は、第１の基体１０の主面に接触して位置するが、これに限らない。複数の電極２０と第１の基体１０の主面との間には、絶縁膜などのバッファ層が設けられてもよい。
【００６２】
図１に示すように、複数の電極２０の各々は、一対の電極である第１の電極２１及び第２の電極２２を備える。第１の電極２１及び第２の電極２２には、互いに異なる電圧が印加される。
【００６３】
図２は、本実施の形態に係る紫外光発光素子１の電極２０の構造を示す平面図である。図２に示すように、複数の電極２０は、帯状（所定幅の線状）の２本の電極を一対として平行にそれぞれ複数対配置されている。具体的には、平行な２本の帯状の第１の電極２１と、平行な２本の帯状の第２の電極２２とが、交互に配置されている。複数の第１の電極２１の各々は、同じ電位の電圧が印加されるように、一方の端部で電気的に接続されている。具体的には、複数の第１の電極２１は、櫛状に形成されている。複数の第２の電極２２についても同様である。
【００６４】
電極２０に用いる材料としては、Ａｇ厚膜、Ａｌ薄膜、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒ積層薄膜などの金属薄膜が挙げられる。複数の電極２０の膜厚は、例えば、数μｍである。また、隣り合う第１の電極２１と第２の電極２２との間の距離は、例えば、約０．１ｍｍ〜数ｍｍである。
【００６５】
電極２０には、駆動回路（図示せず）によって、矩形波又は正弦波等の交流波形が印加される。一般的には、一対の第１の電極２１及び第２の電極２２の各々に位相が反対の電圧を印加することで、強い発光を得ることができる。また、例えば、第１の電極２１に矩形波の電圧を印加し、第２の電極２２を接地させることでも放電が可能である。なお、電極２０は必ず２本で一対でなくてもよく、放電領域を変更するため、又は、放電が開始される電圧を下げるために３以上の複数本を一対として構成してもよい。
【００６６】
［１−４．誘電体層］
誘電体層３０は、第１の基体１０と第２の基体１１との間に位置する。本実施の形態では、誘電体層３０は、第１の基体１０の主面上に位置し、複数の電極２０を覆う。具体的には、誘電体層３０は、第１の基体１０の主面に接触して、複数の電極２０を覆うように設けられる。
【００６７】
誘電体層３０は、例えば、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）又は酸化燐（ＰＯ４）を主成分とする低融点ガラスがスクリーン印刷法等により、約３０μｍの膜厚で形成される。誘電体層３０により、電極２０は絶縁材料で被覆されるため、放電の形態はバリア放電となる。バリア放電は、電極２０にイオンが直接曝されないため、連続点灯による経時的な発光強度の変化が小さく、連続点灯時間の長い殺菌デバイスやリソグラフなどへの用途に適している。また、誘電体層３０の膜厚は、放電空間１２に与える電界強度に影響するため、素子のサイズ（例えば、第１の基体１０及び第２の基体１１の大きさ）や求める特性に応じて適宜設計変更することができる。
【００６８】
［１−５．発光層］
発光層４０は、誘電体層３０上に位置し、紫外光を発する第１の発光層の一例である。本実施の形態では、発光層４０は、誘電体層３０上に形成される保護層５０上に形成される。なお、保護層５０が形成されずに、発光層４０は、誘電体層３０に接触して形成されてもよい。
【００６９】
発光層６０は、第２の基体１１の主面に位置し、紫外光を発する第３の発光層の一例である。なお、当該主面は、第２の基体１１が有する主面であって、第１の基体１０側、すなわち、放電空間１２側の面（下面）である。第２の基体１１にも発光層を設けることで、発光強度を高めることができる。なお、発光層６０は、第２の基体１１の主面の反対側に位置してもよい。すなわち、発光層６０は、紫外光発光素子１の放電空間１２の外側に設けてもよい。なお、発光層６０として粉末状のＭｇＯを用いる場合、粉末状のＭｇＯは大気中で炭酸化しやすい性質を持つため、放電空間１２内の放電面側に形成した方が望ましい。
【００７０】
発光層４０及び発光層６０に用いる材料は、発光効率と作製プロセスの容易さとの観点から、紫外光を発光する蛍光体が使用される。これらの蛍光体としては、希土類の発光中心をドープしたＹＰＯ４：Ｐｒ、ＹＰＯ４：Ｎｄ、ＬａＰＯ４：Ｐｒ、ＬａＰＯ４：Ｎｄ、ＹＦ３：Ｃｅ、ＳｒＢ６Ｏ１０：Ｃｅ、ＹＯＢｒ：Ｐｒ、ＬｉＳｒＡｌＦ６：Ｃｅ、ＬｉＣａＡｌＦ６：Ｃｅ、ＬａＦ３：Ｃｅ、Ｌｉ６Ｙ（ＢＯ３）３：Ｐｒ、ＢａＹ２Ｆ８：Ｎｄ、ＹＯＣｌ：Ｐｒ、ＹＦ３：Ｎｄ、ＬｉＹＦ４：Ｎｄ、ＢａＹ２Ｆ８：Ｐｒ、Ｋ２ＹＦ５：Ｐｒ、ＬａＦ３：Ｎｄを用いることができる。あるいは、蛍光体としては、結晶中の欠陥若しくはバンドギャップで発光するＭｇＯ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ＢＮ等を用いることができる。
【００７１】
本実施の形態では、発光層４０及び発光層６０は、紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含有する。具体的には、発光層４０及び発光層６０は、さらに、ハロゲン原子を含有する。ハロゲン原子は、例えば、フッ素（Ｆ）である。
【００７２】
発光層４０及び発光層６０は、放電空間１２に充填されたガス中における複数の電極２０間の放電によって発光する。具体的には、発光層４０及び発光層６０は、放電によって発生する励起光が、含有する蛍光体に照射されることで、蛍光体が紫外光を発光する。例えば、発光層４０及び発光層６０は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にピーク波長が存在する紫外光（深紫外光）を発光する。なお、励起光は、例えば、真空紫外光又は深紫外光である。
【００７３】
発光層４０は、複数の電極２０の直上ではない第１の領域９２より、複数の電極２０の直上の第２の領域９３において薄い。これにより、発光層４０は、第２の基体１１に対向する面に凹凸形状を有する。なお、第１の領域９２は、平面視における複数の電極２０の各々の間の領域である。第２の領域９３の平面視形状は、複数の電極２０の平面視形状に一致する。つまり、第１の領域９２及び第２の領域９３の各々の平面視形状は、図２に示すように、所定の間隔を空けて平行に配置された複数の帯状である。なお、作製プロセスを考慮すれば、第２の領域９３は、複数の電極２０の平面視形状に正確に一致する必要は無いことは言うまでもない。すなわち、第２の領域９３は、複数の電極２０の平面視の領域よりも狭くてもよいし、複数の電極２０の平面視の領域よりも広くてもよい。換言すれば、第２の領域９３は、複数の電極２０の直上の領域の少なくとも一部を含む領域である。特に、第２の領域９３が複数の電極２０の直上の領域の全てを含む場合、本実施の形態の効果を高めることができる。また、第１の領域９２は、前記第２の領域９３とは異なる誘電体層３０上の領域である。
【００７４】
本実施の形態では、図１に示すように、発光層４０は、第１の領域９２に位置する第１の発光部４１と、第２の領域９３に位置する第２の発光部４２とを含む。第２の発光部４２の膜厚は、第１の発光部４１の膜厚より小さい。例えば、第１の発光部４１の膜厚は、約２０μｍ〜３０μｍであるのに対して、第２の発光部４２の膜厚は、１０μｍ未満である。
【００７５】
本実施の形態では、第１の発光部４１及び第２の発光部４２は、各々が含有する材料、及び、その含有量が略同じである。なお、材料の含有量とは、絶対的な量ではなく、単位体積当たりの量である。例えば、第１の発光部４１及び第２の発光部４２の各々が複数の材料を含む場合、その材料の比率（例えば、成分比（又は組成比））が互いに略同じである。すなわち、第１の発光部４１及び第２の発光部４２は、同じ材料を用いて形成される。
【００７６】
［１−６．保護層］
保護層５０は、発光層４０と誘電体層３０との間に位置する薄膜である。保護層５０は、放電が形成される電圧（放電開始電圧）を下げる働きと、放電に伴うイオン衝撃から誘電体層３０及び電極２０を保護する働きとを持つ。
【００７７】
保護層５０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）及び酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）の少なくとも１つを含有する薄膜である。保護層５０は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ及びＳｒＯの２以上を含有する混相薄膜でもよい。特に、薄膜のＭｇＯは、高い耐イオン衝撃性を持つことから、経時的な放電強度の低下が非常に小さい紫外光発光素子を得ることができる。保護層５０の厚さは、例えば、１μｍである。
【００７８】
なお、保護層５０と発光層４０とはそれぞれ、ＭｇＯを主成分として含有するが、それぞれは、膜質が異なっている。つまり、発光層４０は、例えば、粉末状のＭｇＯを含有し、欠陥準位が多く、膜質が悪い。このため、発光層４０は、電子を放出しやすく、紫外光を発光することができる。一方で、保護層５０は、例えば、薄膜のＭｇＯで形成されるので、発光層４０より膜質が良い。これにより、発光層４０を通過するイオンなどから誘電体層３０を保護することができる。
【００７９】
［１−７．封着材］
封着材７０は、第１の基体１０と第２の基体１１とを所定の距離、離間させて固定する。封着材７０は、第１の基体１０及び第２の基体１１の各々の外周に沿って環状に設けられる。環状の封着材７０と、第１の基体１０と、第２の基体１１とによって囲まれた空間が、放電空間１２である。
【００８０】
封着材７０としては、例えば、Ｂｉ２Ｏ３又はＶ２Ｏ５を主成分としたフリットを用いることができる。Ｂｉ２Ｏ３を主成分とするフリットとしては、例えば、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＲＯ−ＭＯ系（ここでＲは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇのいずれかであり、Ｍは、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｆｅのいずれかである）のガラス材料に、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、コージライト等の酸化物からなるフィラーを加えたものを用いることができる。また、Ｖ２Ｏ５を主成分とするフリットとしては、例えば、Ｖ２Ｏ５−ＢａＯ−ＴｅＯ−ＷＯ系のガラス材料に、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、コージライトなどの酸化物からなるフィラーを加えたものを用いることができる。
【００８１】
［１−８．チップ管］
チップ管８１は、放電空間１２内のガスを排気する際と放電空間１２に放電ガスを封入する際とに使用される管である。チップ管８１は、封入後に放電ガスが素子外部に漏れないように、加熱されて封止されている。チップ管８１は、例えば、ガラス管などである。
【００８２】
チップ管８１は、第１の基体１０又は第２の基体１１に封着材８２を用いて接合する。第１の基体１０又は第２の基体１１は、チップ管８１が接合される部分に、貫通孔８０が設けられている。貫通孔８０及びチップ管８１を介して、外部から放電ガスを封入し、あるいは、放電空間１２内のガスを外部に排気することができる。なお、封着材８２は、例えば、封着材７０と同じ材料で形成される。
【００８３】
なお、複数の貫通孔８０及び複数のチップ管８１が設けられてもよい。例えば、複数の貫通孔８０及び複数のチップ管８１の各々を、排気及び封入の各々の工程に利用することができる。
【００８４】
［２．動作］
ここで、本実施の形態に係る紫外光発光素子１の動作を説明する。
【００８５】
複数の電極２０は、隣接する一対の第１の電極２１及び第２の電極２２の各々に、位相が相反する矩形波又は正弦波の電圧を印加する。これにより、第１の電極２１及び第２の電極２２間には非常に高い電界が生じ、放電空間１２に含有する放電ガスを放電させる。なお、図１には、放電空間１２内での放電９０を模式的に示している。
【００８６】
放電ガスに含まれるＸｅ又はＫｒＣｌは、放電に伴う励起によって真空紫外光又は深紫外光の励起光を発生させる。励起光が発光層４０に照射されることで、発光層４０から深紫外光を発することができる。
【００８７】
また、第１の基体１０又は第２の基体１１の少なくとも一方は、紫外光を透過する材料から形成されている。本実施の形態では、第２の基体１１が深紫外光を透過するサファイアガラスから形成されている。このため、発光層４０から発した深紫外光は、第２の基体１１を透過して素子の外に放出される。つまり、図１に示すように、紫外光発光素子１は、紫外光９１を外部に放出する。
【００８８】
［３．製造方法］
［３−１．概要］
次に、本実施の形態に係る紫外光発光素子１の製造方法について説明する。
【００８９】
まず、第１の基体１０に複数の電極２０を形成する。複数の電極２０は、露光プロセス、印刷プロセス又は蒸着プロセスなどの公知の形成法を用いて金属膜のパターニングを行うことで形成される。
【００９０】
次に、第１の基体１０の主面上に形成した複数の電極２０を覆うように、第１の基体１０の主面上に誘電体ペーストをダイコート法などにより塗布して誘電体ペースト（誘電体材料）層を形成する。なお、誘電体ペーストは、ペースト状の誘電体材料であり、例えば、ガラス粉末などの誘電体材料、バインダ及び溶剤を含む塗料である。
【００９１】
誘電体ペーストを塗布した後、所定の時間放置することによって、塗布された誘電体ペーストの表面がレベリングされて平坦な表面になる。その後、誘電体ペースト層を焼成固化することにより、複数の電極２０を覆う誘電体層３０が形成される。
【００９２】
次に、誘電体層３０上に保護層５０を形成する。保護層５０は、例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ若しくはＢａＯの単独材料のペレット、又は、それらの材料を混合したペレットを原料とした薄膜成膜方法によって形成される。薄膜成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの公知の方法を利用できる。一例として、スパッタリング法では１Ｐａ、蒸着法の一例である電子ビーム蒸着法では０．１Ｐａが実際上取り得る圧力の上限と考えられる。
【００９３】
なお、保護層５０は形成されなくてもよい。
【００９４】
次に、保護層５０上に発光層４０を形成する。なお、保護層５０が形成されない場合、誘電体層３０上に発光層４０を形成する。発光層４０は、発光材料を含むペーストを任意の領域に塗布し、乾燥と焼成とを行うことで形成される。なお、発光材料は、例えば、ハロゲン原子と、粉末状の酸化マグネシウムとを含有する。
【００９５】
このとき、電極２０の直上ではない第１の領域９２と、電極２０の直上の第２の領域９３とでは、ペーストの塗布量を異ならせる。具体的には、第１の領域９２では、第２の領域９３より多くのペーストを塗布する。
【００９６】
例えば、誘電体層３０（具体的には、保護層５０）上の第１の領域９２と第２の領域９３と（例えば、全面）に、第２の発光部４２の厚さ（例えば、１０μｍ未満）のペーストを塗布し、乾燥させる。さらに、第１の領域９２のみに、第１の発光部４１の厚さと第２の発光部４２の厚さとの差に相当する厚さ（例えば、２０μｍ）のペーストを塗布し、乾燥させる。その後、ペーストを焼成することで、図１に示すような厚さの異なる発光層４０を形成することができる。なお、第１の領域９２のみにペーストを塗布する方法としては、第１の領域９２のみに塗布可能なパターンのスクリーンマスク等を用いることができる。
【００９７】
また、第２の基体１１には、発光層４０の形成と同様にして、発光層６０を形成する。なお、発光層６０の厚さは、面内で均一でよい。このとき、発光層６０の厚さは、例えば、発光層４０の第１の発光部４１の膜厚よりも小さい。これにより、発光層４０が発した紫外光が発光層６０で吸収される量を削減することができる。
【００９８】
次に、第１の基体１０及び第２の基体１１の少なくとも一方に封着材料を塗布する。本実施の形態では、封着材料は、第１の基体１０の外周に沿って環状に塗布される。なお、封着材料は、例えば、ペースト状のフリットである。その後、封着材料の樹脂成分等を除去するために３５０℃程度の温度で仮焼成する。これにより、仮焼成された封着材７０が形成される。
【００９９】
次に、作製した第１の基体１０と第２の基体１１とを貼り付けて封着する。以下では、まず、封着工程で用いる機能的加熱炉について図３を用いて説明する。
【０１００】
［３−２．機能的加熱炉］
図３は、本実施の形態に係る紫外光発光素子１を製造する際に用いる機能的加熱炉１００の概要を示す模式図である。
【０１０１】
機能的加熱炉１００は、封着工程において用いられる加熱炉である。機能的加熱炉１００は、封着工程においてガスの供給及び排気を行うことができる。
【０１０２】
機能的加熱炉１００は、図３に示すように、内部にヒータ１１１を有する加熱炉１１２を備える。加熱炉１１２の内部には、第２の基体１１の上に、第１の基体１０が重ね合わされている様子を示している。第１の基体１０には、仮焼成された封着材７０と、チップ管８１ａ及び８１ｂとが設けられている。第１の基体１０と第２の基体１１とは、例えばクリップ等の固定手段（図示せず）によって固定されている。同様に、第１の基体１０とチップ管８１ａ及び８１ｂとは、固定手段（図示せず）によって固定されている。なお、チップ管８１ａ及び８１ｂの各々は、第１の基体１０に設けられた貫通孔８０ａ及び８０ｂを介して、放電空間１２に連通している。
【０１０３】
図３に示すように、チップ管８１ａには、配管１１３が接続されている。配管１１３は、加熱炉１１２の外部に設けられた乾燥ガス供給装置１３１に、バルブ１２１を介して接続されている。配管１１３には、ガス逃がし弁１２２が設けられている。
【０１０４】
チップ管８１ｂには、配管１１４が接続されている。配管１１４は、加熱炉１１２の外部に設けられた排気装置１３２に、バルブ１２３を介して接続されている。また、配管１１４は、加熱炉１１２の外部に設けられた放電ガス供給装置１３３に、バルブ１２４を介して接続されている。さらに、配管１１４は、バルブ１２５を介して配管１１３にも接続されている。また、配管１１４には、圧力計１２６が設けられている。
【０１０５】
［３−３．封着工程］
続いて、封着工程について、図４及び図５を用いて説明する。
【０１０６】
図４は、本実施の形態に係る機能的加熱炉１００の温度プロファイルの一例を示す図である。図５は、本実施の形態に係る封着工程のガス及びその流れを示す図である。
【０１０７】
封着工程は、具体的には、接着工程、排気工程及び放電ガス供給工程を含んでいる。封着工程は、説明の便宜上、図４に示すように、機能的加熱炉１００の温度の観点から第１の期間〜第５の期間の５つの期間に分割される。
【０１０８】
第１の期間は、室温から軟化点（軟化点温度）まで上昇させる期間である。第２の期間は、軟化点から封着温度まで上昇させる期間である。第３の期間は、封着温度以上の温度で一定時間保持した後、軟化点まで低下させる期間である。なお、以上の第１の期間〜第３の期間が、接着工程に相当する。第４の期間は、軟化点温度付近又はそれよりやや低い温度で一定時間保持した後、室温まで低下させる期間である。第４の期間が、排気工程に相当する。第５の期間は、室温まで低下した後の期間である。第５の期間が、放電ガス供給工程に相当する。
【０１０９】
ここで、軟化点とは、封着材料が軟化する温度を指し、例えばＢｉ２Ｏ３系の封着材料の軟化点温度は、４３０℃程度である。
【０１１０】
また、封着温度とは、第１の基体１０と第２の基体１１とが封着材料により、また、第１の基体１０とチップ管８１とが封着材料により、密閉される状態となる温度である。本実施の形態における封着温度は、例えば４９０℃程度である。なお、封着温度は、例えば、以下のようにして予め確認することができる。
【０１１１】
例えば、まず、第１の基体１０と第２の基体１１とを重ね合わせ、バルブ１２１、１２４及び１２５を閉じ、かつ、バルブ１２３のみを開く。そして、排気装置１３２によってチップ管８１ｂを介して素子内部（放電空間１２内）のガスを排気しながら、ヒータ１１１をオンにして加熱炉１１２内部の温度を上昇させる。すると、ある温度で圧力計１２６において確認される素子内部の圧力がステップ状に減少し、かつ、バルブ１２３を閉じても素子内部の圧力が大きく上昇しなくなる。このときの温度が、素子が密封される封着温度である。
【０１１２】
ここで、図５を用いて封着工程の詳細について説明する。図５の（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、図４に示す第１の期間〜第５の期間における素子内部（放電空間１２内）のガス及びその流れを示している。
【０１１３】
＜接着工程＞
まず、第１の基体１０と第２の基体１１とを位置決めして重ね合わせる。そして、図５の（ａ）に示すように、バルブ１２１とバルブ１２５とを開いて、乾燥ガスを両方の貫通孔８０を介して素子内部に吹き込みながら、ヒータ１１１をオンにして加熱炉１１２内部の温度を封着材７０の軟化点温度まで上昇させる（第１の期間）。
【０１１４】
このとき、素子内部に吹き込まれた乾燥ガス１９０は、図５の（ａ）に示すように、第２の基体１１と封着材７０との隙間から素子外部へ漏れ出る状態となる。
【０１１５】
なお、乾燥ガスとしては、例えば、露点が−４５℃以下の乾燥窒素ガスを用いることができる。また、乾燥ガスの流量は、例えば、５Ｌ／ｍｉｎである。
【０１１６】
次に、加熱炉１１２内部の温度が封着用フリットの軟化点温度以上になると、図５の（ｂ）に示すように、バルブ１２５を閉じるとともにバルブ１２１を調節して乾燥窒素ガスの流量を第１の期間の半分以下（例えば、２Ｌ／ｍｉｎ）にする。そして、ガス逃がし弁１２２を開いて、素子内部の圧力が、加熱炉１１２内部の圧力よりも僅かに揚圧となるようにする。そして、加熱炉１１２内部の温度を封着温度まで上昇させる（第２の期間）。
【０１１７】
次に、加熱炉１１２内部の温度が封着温度以上の温度に到達し、封着材７０が溶融し、第１の基体１０と第２の基体１１との封着、及び、第１の基体１０とチップ管８１との接合が行われると、図５の（ｃ）に示すように、排気装置１３２を動作させバルブ１２３を調整して、素子内部の圧力を僅かに陰圧（例えば８．０×１０４Ｐａ）にする。このようにして、チップ管８１ａからは乾燥窒素ガスを供給するとともに、チップ管８１ｂから乾燥窒素ガスを排気することによって、素子内部の圧力を僅かに陰圧に保ちつつ、素子内部に乾燥窒素ガスを流し続ける。
【０１１８】
そして、ヒータ１１１を制御して加熱炉１１２内部の温度を封着温度以上の温度に約３０分維持する。この間に溶融した封着材７０が僅かに流動し、素子内部の圧力が僅かに陰圧に保たれていることから、第１の基体１０と第２の基体１１との封着、及び、第１の基体１０とチップ管８１とが精度良く接着される。その後、ヒータ１１１をオフにして加熱炉１１２の温度を軟化点以下の温度まで下げる（第３の期間）。
【０１１９】
＜排気工程＞
排気工程は、素子内部のガスを排気する工程である。加熱炉１１２内部の温度が軟化点温度以下になると、図５の（ｄ）に示すように、バルブ１２１を閉じ、バルブ１２３及びバルブ１２５を開いて、複数の貫通孔８０からチップ管８１を通して素子内部を排気する。そして、ヒータ１１１を制御して加熱炉１１２内部の温度を所定の時間保持しながら、排気を継続して行う。その後、ヒータ１１１をオフにして加熱炉１１２内部の温度を室温まで低下させる。なお、この間も排気を継続して行う（第４の期間）。
【０１２０】
＜放電ガス供給工程＞
放電ガス供給工程は、真空排気された素子内部にＮｅ及びＸｅ等を主成分とする放電ガスを供給する工程である。加熱炉１１２内部の温度が室温まで低下した後、図５の（ｅ）に示すように、バルブ１２３を閉じ、バルブ１２４及びバルブ１２５を開いて、チップ管８１から複数の貫通孔８０を通して放電ガスを所定の圧力となるように供給する（第５の期間）。
【０１２１】
以上のようにして、本実施の形態に係る紫外光発光素子１を製造することができる。
【０１２２】
［４．効果など］
以下では、本実施の形態に係る紫外光発光素子１について、その特徴及び効果を説明する。
【０１２３】
上述したように、電極の直上に発光層を設けた紫外光発光素子において、連続点灯させた際に発光強度が経時的に低下する課題がある。本発明者らは、この課題の要因が、放電で発生するイオン衝撃により電極の直上の発光層の発光強度が低下することと、電極の直上の発光層の二次電子放出特性が変化して放電強度が小さくなることとの２つが同時に起こっていることを新たに見出した。
【０１２４】
この課題の解決法として、本実施の形態に係る紫外光発光素子１は、第１の基体１０と、第１の基体１０の主面上に位置する複数の電極２０と、第１の基体１０の主面上に位置し、複数の電極２０を覆う誘電体層３０と、誘電体層３０上に位置し、紫外光を発する発光層であって、複数の電極２０の直上ではない第１の領域９２より、複数の電極２０の直上の第２の領域９３において薄い発光層４０と、発光層４０に対向して位置する第２の基体１１とを備える。第１の基体１０と第２の基体１１との間の放電空間１２には、所定のガスが充填され、発光層４０は、ガス中における複数の電極２０間の放電によって紫外光を発する。
【０１２５】
これにより、複数の電極２０の直上の第２の領域９３において発光層４０が薄いので、紫外光発光素子１全体の発光強度における第２の領域９３の発光強度が占める割合を小さくすることができる。したがって、第２の領域９３における発光層４０の発光強度が経時的に低下したとしても、紫外光発光素子１全体の発光強度に与える影響を小さくすることができる。すなわち、紫外光発光素子１による紫外光の発光強度の経時的な低下を抑制することができる。
【０１２６】
また、第２の領域９３における発光層４０が薄いので、誘電体層３０又は保護層５０の被覆率が下がる。このため、放電開始電圧は、発光層４０の下層にある誘電体層３０又は保護層５０の二次電子放出特性の影響を受けやすくなる。誘電体層３０又は保護層５０は、発光層４０よりも二次電子放出特性の経時的な変化が小さい。このため、連続点灯による二次電子放出特性の変化も小さくなり、放電強度の低下を抑制することもできる。
【０１２７】
なお、本実施の形態において、複数の電極２０の直上の第２の領域９３では、発光層４０が薄いので、発光層４０の下層の二次電子放出特性の影響を受けやすくなる。このため、図１に示すように、発光層４０の下層に保護層５０を設けることは、非常に有効である。保護層５０としては、高い二次電子放出特性と耐イオン衝撃性とを持つ材料を用いることが好ましい。例えば、薄膜のＭｇＯは、安定で高い耐イオン衝撃性を持つことから、経時的な放電強度の変化が非常に小さく、発光強度の高い紫外光発光素子を得ることができる。
【０１２８】
また、発光層４０として粉末の発光材料を用いた場合、第２の領域９３における発光層４０の膜厚は、１０μｍ未満が望ましい。図６は、発光層４０に粉末状のＭｇＯを用いた場合の透過率と反射率との膜厚依存性を示すグラフである。
【０１２９】
図６に示すように、膜厚が１０μｍ未満になると、透過率が急に高くなることが分かる。このため、発光層４０が１０μｍ以下の膜厚では、発光層４０の表面で発生する紫外光の一部が電極２０側に透過し、誘電体層３０で吸収し始める。このため、紫外光発光素子１が発する紫外光の強度における第２の領域９３の発光強度の占める割合をより小さくすることができる。
【０１３０】
また、第２の領域９３における発光層４０が薄くなると、発光層４０で発光した紫外光が電極２０側に透過する割合が増えるため、発光強度は低下する傾向を持つ。このため、薄くすると発光強度の経時的な低下の抑制効果は高くなるが、一方で発光強度そのものが低下する関係を持つ。
【０１３１】
ここで、図７に、希土類の発光中心をドープした蛍光体材料であるＹＢＯ３：Ｇｄと２３０ｎｍ付近に発光を持つ粉末状のＭｇＯとの発光スペクトルの一例を示す。
【０１３２】
図７に示すように、粉末状のＭｇＯ（以下、「ＭｇＯ粉末」と記載）は、２３０ｎｍ付近にピークを持つ深紫外光を発するため、発光層４０の材料として用いることが可能である。さらに、ＭｇＯは二次電子放出特性が高い材料であるため、希土類の発光中心をドープした蛍光体材料を発光層４０に用いる場合より低い放電開始電圧を実現することができる。さらに、ＭｇＯは耐イオン衝撃が高いため、イオン衝撃による発光層４０の変質も小さいと考えられる。このため、紫外光発光素子１において、発光層４０にＭｇＯ粉末を用いることは非常に有効であると考えられる。
【０１３３】
しかしながら、本発明者らは、発光層としてＭｇＯ粉末を用いた場合、一般的な紫外光を発する蛍光体よりも連続点灯による放電強度の低下が非常に大きくなるという新たな課題を見出した。この要因としては、ＭｇＯ粉末が一般的な紫外光を発する蛍光体よりも高い二次電子放出特性を持つため、連続点灯によってＭｇＯ粉末がわずかに変質しても二次電子放出特性の低下量が大きいことが考えられる。したがって、変質しなかった領域と変質した領域との二次電子放出特性の差が相対的に大きくなり、発光強度の低下が大きくなる。
【０１３４】
このため、ＭｇＯ粉末を用いる場合は、本実施の形態に係る紫外光発光素子１のように、複数の電極２０の直上のイオン衝撃の影響を受けやすい第２の領域９３の発光層４０の膜厚を薄くすることが特に有効である。
【０１３５】
また、ＭｇＯ粉末にフッ素を含有させることで、放電開始電圧を低下させることができる。具体的には、ＭｇＯ粉末が含有するハロゲン原子がフッ素である場合、放電のイオン衝撃によってフッ素が発光層４０から保護層５０に移動する。これにより、保護層５０の二次電子放出特性を経時的に高くする作用が起こるので、放電強度の低下を抑制することができる。したがって、図７に示すように、ＭｇＯ粉末にハロゲン原子であるフッ素を含有させることで、発光層４０の発光強度を大きくすることができる。
【０１３６】
なお、ＭｇＯ粉末（発光層４０）が含有するハロゲン原子、又は、ＭｇＯ粉末（発光層４０）から保護層５０に移動したハロゲン原子は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）又は高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法によって測定することができる。
【０１３７】
なお、放電空間１２に充填されるガスとしては、上述したように、Ｎｅ、ＫｒＣｌ、Ｎ２、ＣＯ、Ｘｅ等が挙げられる。このとき、発光層４０にＭｇＯ粉末を用いた場合は、ＮｅとＸｅとの混合ガスが適している。ＭｇＯ粉末は、バンドギャップが広い材料であるため、１５０ｎｍ付近の励起光で最も効率良く発光する。ＫｒＣｌ又はＸｅ単体の放電ガスを用いた場合、励起光の波長は１７２ｎｍよりも長い波長の割合が多くなる。一方、ＮｅとＸｅとの混合ガスにおいては、１４７ｎｍの励起光の割合が高いため、ＭｇＯ粉末の励起を効果的に促進することができる。
【０１３８】
なお、発光層４０として粉末状の材料を用いる場合、膜の密着性が大きな問題となる。このため、発光層４０を形成する面（具体的には、保護層５０の上面）には、発光層４０の材料となる粉末の膜形状が維持し易いように、凹凸を設けてもよい。これにより、発光層４０と保護層５０との密着性を高めることができる。なお、発光層６０についても同様であるので、例えば、第２の基体１１の主面（放電空間１２側）に凹凸を設けることで、発光層６０と第２の基体１１との密着性を高めることができる。
【０１３９】
［５．変形例］
ここで、本実施の形態に係る紫外光発光素子１の変形例について、図８を用いて説明する。図８は、本変形例に係る紫外光発光素子２０１の構成を示す断面図である。
【０１４０】
紫外光発光素子２０１では、図１に示す紫外光発光素子１と比較して、発光層４０の代わりに発光層２４０を備える点が異なっている。具体的には、図８に示すように、紫外光発光素子２０１では、第２の領域９３における発光層２４０の厚さは、０である。すなわち、複数の電極２０の直上には、発光層２４０が設けられていない。
【０１４１】
本変形例によれば、複数の電極２０の直上の第２の領域９３では、保護層５０（保護層５０が設けられていない場合は、誘電体層３０）が放電空間１２に対して最表面になる。このため、誘電体層３０又は保護層５０の二次電子放出特性によって放電特性が決まる。したがって、連続点灯による二次電子放出特性の局所的な変化がさらに小さくなり、放電強度の低下を大幅に抑制することができる。
【０１４２】
なお、誘電体層３０及び保護層５０が発光層２４０よりも二次電子放出特性の変化が小さい理由としては、以下が考えられる。すなわち、発光層２４０は、粉体の集合であるため、比表面積が非常に大きい。このため、放電に伴うイオン衝撃によって発光層２４０から不純物ガスが大量に発生し、この不純物ガスによりイオン衝撃による発光層２４０の変質を促進しているためと考えられる。
【０１４３】
［６．実施例］
以下では、上述した実施の形態及びその変形例に係る紫外光発光素子１及び２０１と従来の構成の紫外光発光素子とを試作し、特性の比較を行った結果について説明する。
【０１４４】
試作した紫外光発光素子の電極構造は、図２に示す通りである。すなわち、２つの櫛型の電極を入れ違いとなるように形成した。複数の電極２０は、具体的には、Ａｇを抵抗加熱蒸着により形成した。第１の電極２１と第２の電極２２との間隔、及び、各々の電極幅は共に、１ｍｍとした。
【０１４５】
また、第１の基体１０としては市販されている高歪点ガラスを用い、第２の基体１１としては深紫外光を透過するサファイアガラスを用いた。また、第２の基体１１の主面（放電空間１２側の面）に発光層６０を設けた。このとき、サファイアガラスは、片面（外側の主面）のみ研磨しており、発光層６０を形成する放電空間１２側の主面を未研磨面とした。これにより、発光層６０の膜の密着性を向上させている。
【０１４６】
放電空間１２には、放電ガスとして、Ｎｅ（９５％）とＸｅ（５％）との混合ガスを２０ｋＰａ封入した。
【０１４７】
測定した紫外光発光素子の特性は、試作直後の発光強度及び放電開始電圧と、連続点灯後の発光強度である。また、試作直後の発光強度と連続点灯後の発光強度とに基づいて、劣化率を算出した。劣化率は、試作直後の発光強度に対する連続点灯後の発光強度の比である。
【０１４８】
なお、複数の電極２０に印加する電圧は、３０ｋＨｚの矩形波の交流電圧である。第１の電極２１及び第２の電極２２には、それぞれ相反する位相の矩形波の電圧を印加した。また、連続点灯時間は、１０００時間とした。
【０１４９】
放電開始電圧の測定方法としては、まず、電極に印加する矩形波の電圧を９５０Ｖまで上げ、紫外光発光素子を発光させる。その後、０Ｖまで電圧を下げて素子全体を一旦消した後、再度電圧を上げて放電空間１２の全体に放電が広がった電圧を放電開始電圧として測定した。
【０１５０】
また、発光強度は、従来（膜厚が均一な発光層）の紫外光発光素子の発光強度との相対値で表している。発光強度は、紫外光発光素子の紫外光を透過する構造物（具体的には、第２の基体１１）上の最表面をマルチチャンネル分光器（浜松ホトニクス製：Ｃ１００２７−０１）にて測定し、発光している波長領域を積分することで数値化を行った。例えば、ＭｇＯ粉末を発光層に用いた場合、２３０ｎｍ付近に発光ピークを持つため、２００ｎｍ〜２８０ｎｍの発光強度を積分することで求めた。なお、相対値は、従来の紫外光発光素子である比較例１の試作直後の発光強度を１００とした時の値である。
【０１５１】
連続点灯後の発光強度は、放電開始電圧を測定した後、紫外光発光素子を測定電圧で１０００時間連続点灯した後の発光強度を測定した。なお、初期の発光強度と連続点灯後の発光強度との測定は、放電開始電圧にて行った。
【０１５２】
図９は、本実施の形態及びその変形例並びに比較例に係る紫外光発光素子の特性の評価結果を示す図である。
【０１５３】
図９に示すように、従来の紫外光発光素子として比較例１及び比較例２を試作した。なお、発光層４０の下には、保護層５０となるＭｇＯ薄膜を１μｍの厚さで真空蒸着によって成膜した。
【０１５４】
発光層４０及び発光層６０に用いる材料は、比較例１にＹＢＯ３：Ｇｄを、比較例２に２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にピーク波長が存在するＭｇＯ粉末を用いた。発光層４０の膜厚は、３０μｍであり、発光層６０の膜厚は、５μｍである。なお、発光層４０及び発光層６０に用いたＭｇＯ粉末は、ハロゲン原子であるフッ素が含まれていることをＸＰＳにて確認している。
【０１５５】
実施例１は、本実施の形態に係る紫外光発光素子であり、電極２０の直上の第２の領域９３における発光層４０の膜厚（すなわち、第２の発光部４２の膜厚）を８μｍにした以外は、比較例１と同じ構成である。
【０１５６】
実施例２は、本実施の形態に係る紫外光発光素子であり、電極２０の直上の第２の領域９３における発光層４０の膜厚（すなわち、第２の発光部４２の膜厚）を１２μｍにした以外は、比較例２と同じ構成をしている。
【０１５７】
実施例３は、本実施の形態に係る紫外光発光素子であり、電極２０の直上の第２の領域９３における発光層４０の膜厚（すなわち、第２の発光部４２の膜厚）を８μｍにした以外は、比較例２と同じ構成である。
【０１５８】
実施例４は、本実施の形態の変形例に係る紫外光発光素子であり、電極２０の直上の第２の領域９３における発光層２４０の膜厚を０にした以外は、比較例２と同じ構成である。
【０１５９】
図９に示すように、第２の領域９３における発光層４０の膜厚を第１の領域９２における発光層４０の膜厚より小さくすることで、劣化率が大幅に改善されていることが分かった。これは、第２の領域９３における発光層４０の膜厚を薄くすることで、発光層４０の下層の保護層５０の二次電子放出特性の影響を受けるようになるため、二次電子放出特性の変化が小さくなり、放電強度の低下が抑制されたと考えられる。さらに、紫外光発光素子１の発光強度における第２の領域９３の発光強度の割合が低下したため、第２の領域９３の発光強度が低下しても紫外光発光素子１の発光強度に与える影響が小さくなったためと考えられる。
【０１６０】
また、図９に示すように、初期の紫外光発光素子１の発光強度は、第２の領域９３における発光層４０の膜厚を薄くすることで小さくなることが分かった。ただし、連続点灯後の発光強度は、発光層４０の膜厚を薄くしない場合よりも高くなることが分かる。
【０１６１】
また、例えば、比較例２と実施例２との結果から分かるように、第２の領域９３における発光層４０の膜厚は、１２μｍであっても、劣化率は改善されている。したがって、第２の領域９３における発光層４０の膜厚は、１０μｍ以上であってもよい。
【０１６２】
また、比較例１と実施例１とを比較して分かるように、発光層４０の材料としては、ＹＢＯ３：Ｇｄを用いた場合であっても、劣化率は改善されている。したがって、発光層４０の材料は、粉末状のＭｇＯなどには限られない。
【０１６３】
（実施の形態２）
［１．構成］
以下、本開示の実施の形態２に係る紫外光発光素子３０１の構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１の構成を示す断面図である。
【０１６４】
本実施の形態において、実施の形態１の変形例と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する場合がある。
【０１６５】
本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１と実施の形態１の変形例に係る紫外光発光素子２０１との相違点は、紫外光発光素子３０１がさらに、発光層３４０を備える点である。
【０１６６】
具体的には、紫外光発光素子３０１が備える発光層が含有する発光材料が、発光層２４０が含有する第１の発光材料と、発光層３４０が含有し、第１の発光材料とは異なる第２の発光材料との２種類を含んでいる。第１の発光材料の発光スペクトルと第２の発光材料の発光スペクトルとは異なっている。具体的には、２３０ｎｍ付近の深紫外光の発光強度は、第２の発光材料よりも第１の発光材料が高い。
【０１６７】
発光層３４０は、複数の電極２０の直上の第２の領域９３に位置し、紫外光を発する第２の発光層の一例である。発光層３４０は、含有する材料又はその含有量が発光層２４０とは異なり、発光層２４０より紫外光の発光強度が低い。なお、本実施の形態では、発光層３４０の厚さと発光層２４０の厚さとは、略同じである。
【０１６８】
具体的には、発光層３４０は、粉末状の酸化マグネシウム（ＭｇＯ粉末）を含有するが、ハロゲン原子を含有しない。なお、実施の形態１で示したように、発光層２４０は、ＭｇＯ粉末とハロゲン原子とを含有する。ハロゲン原子は、例えば、フッ素である。これにより、図７に示すように、発光層３４０の発光強度は、発光層２４０の発光強度より低くなる。
【０１６９】
［２．製造方法］
次に、本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１の製造方法について説明する。なお、発光層２４０及び３４０の形成以外は、実施の形態１に係る紫外光発光素子１の製造方法と同じである。以下では、本実施の形態に係る発光層２４０及び３４０の形成方法を示す。
【０１７０】
最初に、複数の電極２０の直上の第２の領域９３に塗布可能なパターン（複数の電極２０の平面視形状）を持つスクリーンマスクを用いて、発光強度が低い第２の発光材料を含むペーストを塗布し、乾燥させる。その後、複数の電極２０の直上以外の第１の領域９２に塗布可能なパターンを持つスクリーンマスクを用いて、発光強度が高い第１の発光材料を含むペーストを塗布し、乾燥と焼成とを行う。
【０１７１】
なお、第２の発光材料を塗布した後、第１の発光材料を塗布してもよい。
【０１７２】
［３．効果など］
以下では、本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１について、その特徴及び効果を説明する。
【０１７３】
本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１では、さらに、第２の領域９３に位置し、含有する材料又はその含有量が発光層２４０とは異なり、かつ、発光層２４０より紫外光の発光強度が低い発光層３４０を備える。
【０１７４】
これにより、高い発光強度を維持したまま、発光強度の経時的な低下を抑制することができる。
【０１７５】
この要因としては、以下のように考えられる。２３０ｎｍの深紫外光の発光が弱いＭｇＯ粉末は、２３０ｎｍの深紫外光の発光が高いＭｇＯ粉末よりも二次電子放出特性が低い。このため、２３０ｎｍの深紫外光の発光が弱いＭｇＯ粉末を第２の領域９３の発光層３４０に用いた場合、連続点灯前から二次電子放出特性が低いため局所的な変化の割合も相対的に小さくなり、経時的な放電強度の低下を抑制することができると考えられる。また、紫外光発光素子３０１全体の深紫外光の発光強度における第２の領域９３の発光強度が占める割合を小さくすることができるため、紫外光発光素子３０１の発光強度の経時的な低下も抑制することができる。
【０１７６】
このように、本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１によれば、連続点灯による第２の領域９３の二次電子放出特性の局所的な変化の割合を相対的に小さくすることと、第２の領域９３の発光強度を低下させることとを実現することができる。したがって、紫外光発光素子３０１の発光強度の経時的な低下を抑制することができる。
【０１７７】
また、発光層２４０及び３４０は、主成分としてＭｇＯ粉末を含有するため、空隙率が非常に高く、発光層２４０及び３４０の下層の二次電子放出特性の影響を受けやすくなる。このため、実施の形態１と同様に、二次電子放出特性と耐イオン衝撃性とが高い材料から形成される保護層５０を発光層２４０及び３４０の下層に設けることは、非常に有効である。
【０１７８】
［４．変形例］
ここで、本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１の変形例について説明する。本実施の形態では、発光層３４０がハロゲン原子を含有しない例について示したが、本変形例では、発光層３４０は、ハロゲン原子を含有する。
【０１７９】
ＭｇＯ粉末に含有させるハロゲン原子の量を異ならせることにより、深紫外光の発光強度を異ならせることができる。このため、発光層３４０が含有するハロゲン原子の量を、発光層２４０が含有するハロゲン原子の量より少なくする。これにより、複数の電極２０の直上の第２の領域９３に位置する発光層３４０の発光強度を、複数の電極２０の直上とは異なる第１の領域９２に位置する発光層２４０の発光強度より小さくすることができる。このように、ハロゲン原子（フッ素）の含有量を調整することで、発光層３４０の発光強度を変更することができる。
【０１８０】
［５．実施例］
以下では、本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１を試作し、特性の比較を行った結果について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施の形態及び比較例に係る紫外光発光素子の特性の評価結果を示す図である。
【０１８１】
図１１に示す比較例２は、実施の形態１で説明した比較例２と同じである。
【０１８２】
実施例５は、本実施の形態に係る紫外光発光素子３０１であり、電極２０の直上以外の第１の領域９２に位置する発光層２４０の材料と、電極２０の直上の第２の領域９３に位置する発光層３４０の材料とが異なっている。具体的には、発光層２４０は、ハロゲン原子としてフッ素を含有するのに対して、発光層３４０は、フッ素を含有しない。これにより、図１１に示すように、第２の領域９３に位置する発光層３４０の発光強度は、第１の領域９２に位置する発光層２４０の発光強度より４割低くなっている。それ以外は、比較例２と同じ構成である。
【０１８３】
図１１に示すように、第２の領域９３に位置する発光層３４０の発光強度を低くすることで、劣化率が大幅に改善されていることが分かった。これは、紫外光発光素子３０１全体の発光強度における第２の領域９３の発光強度の割合が低下したため、紫外光発光素子３０１の経時的な発光強度の低下が小さくなったと考えられる。
【０１８４】
また、図１１に示すように、第２の領域９３に位置する発光層３４０の発光強度を低くすることで、初期の紫外光発光素子３０１の発光強度は小さくなることが分かった。ただし、連続点灯後の発光強度は、第２の領域９３の発光強度が第１の領域９２の発光強度と同じである場合（すなわち、比較例２）よりも高くなることが分かる。
【０１８５】
（実施の形態３）
［１．構成］
以下、本開示の実施の形態３に係る紫外光発光素子４０１の構成について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施の形態に係る紫外光発光素子４０１の構成を示す断面図である。
【０１８６】
本実施の形態において、実施の形態１と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する場合がある。
【０１８７】
本実施の形態に係る紫外光発光素子４０１と実施の形態１に係る紫外光発光素子１との相違点は、発光層４０及び保護層５０の代わりに、発光層４４０及び保護層４５０を備える点である。
【０１８８】
発光層４４０は、誘電体層３０上に位置し、紫外光を発する第１の発光層の一例である。発光層４４０は、誘電体層３０と保護層４５０との間に位置する。本実施の形態では、発光層４４０は、複数の電極２０の直上とは異なる第１の領域９２、及び、複数の電極２０の直上の第２の領域９３に依らずに、膜厚が略均一である。例えば、発光層４４０の膜厚は、２０μｍ〜３０μｍである。
【０１８９】
発光層４４０が含有する材料は、例えば、実施の形態１に係る発光層４０と同じである。具体的には、発光層４４０は、紫外光を発する粉末状の酸化マグネシウムと、ハロゲン原子とを含有する。ハロゲン原子は、例えば、フッ素である。発光層４４０は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にピーク波長が存在する深紫外光を発光する。
【０１９０】
保護層４５０は、発光層４４０上に位置する薄膜である。具体的には、保護層４５０は、第２の基体１１に対向して位置している。保護層４５０は、放電空間１２に露出している。つまり、保護層４５０は、放電空間１２で発生する放電に自身が直接曝されることにより、発光層４４０を保護する。具体的には、保護層４５０は、発光層４４０が放電空間１２に露出しないように発光層４４０を覆う。これにより、保護層４５０は、放電空間１２で発生する放電に発光層４４０が直接曝されるのを抑制することができる。
【０１９１】
保護層４５０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）及び酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）の少なくとも１つを含有する薄膜である。保護層４５０は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ及びＳｒＯの２以上を含有する混相薄膜でもよい。保護層４５０の厚さは、例えば、１μｍである。
【０１９２】
［２．製造方法］
次に、本実施の形態に係る紫外光発光素子４０１の製造方法について説明する。なお、発光層４４０及び保護層４５０の形成以外は、実施の形態１に係る紫外光発光素子１の製造方法と同じである。以下では、本実施の形態に係る発光層４４０及び保護層４５０の形成方法を示す。
【０１９３】
まず、発光材料を含むペーストを誘電体層３０上の任意の領域（例えば、全面）に塗布し、焼成することで、発光層４４０を形成する。このとき、例えば、発光材料を含むペーストを略均一の厚さで塗布する。なお、発光材料は、例えば、ハロゲン原子と、粉末状の酸化マグネシウムを含有する。
【０１９４】
次に、形成した発光層４４０上に保護層４５０を形成する。例えば、保護層４５０は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ若しくはＢａＯの単独材料のペレット、又は、それらの材料を混合したペレットを原料とした薄膜成膜方法によって形成される。薄膜成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの公知の薄膜成膜方法を用いることができる。
【０１９５】
［３．効果など］
以下では、本実施の形態に係る紫外光発光素子４０１について、その特徴及び効果を説明する。
【０１９６】
本実施の形態に係る紫外光発光素子４０１は、第１の基体１０と、第１の基体１０の主面上に位置する複数の電極２０と、第１の基体１０の主面上に位置し、複数の電極２０を覆う誘電体層３０と、誘電体層３０上に位置し、紫外光を発する発光層４４０と、発光層４４０上に位置し、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム及び酸化ストロンチウムの少なくとも１つを含有する保護層４５０と、保護層４５０に対向して位置する第２の基体１１とを備える。第１の基体１０と第２の基体１１との間の放電空間１２には、所定のガスが充填され、発光層４４０は、ガス中における複数の電極２０間の放電によって紫外光を発する。
【０１９７】
これにより、発光層４４０上に保護層４５０が設けられているので、連続点灯による紫外光発光素子４０１の発光強度の経時的な低下を抑制することができる。
【０１９８】
この要因は、以下のように考えられる。保護層４５０は、耐イオン衝撃性が高い材料を用いるため、保護層４５０によって発光層４４０を放電によるイオン衝撃から保護することができる。したがって、発光層４４０の変質を抑制することができる。
【０１９９】
また、保護層４５０に用いるＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ又はこれらの混相材料は、深紫外光域の透過率は高い。このため、発光層４４０で生じる深紫外光が保護層４５０で吸収されにくい。このため、紫外光発光素子４０１の発光強度の低下を抑制しつつ、紫外光発光素子４０１の発光強度の経時的な低下を抑制することができる。
【０２００】
さらに、二次電子放出特性が高い材料から成る保護層４５０は、放電空間１２に直接曝されるので、放電開始電圧を下げることができる。
【０２０１】
このように、保護層４５０を発光層４４０上に設けることで、経時的な発光強度の低下を抑制することができ、かつ、発光強度の高い紫外光発光素子を実現することができる。
【０２０２】
なお、図１２に示す構造は、保護層４５０が発光層４４０上のみに形成されているが、これに限らない。例えば、実施の形態１と同様に、発光層４４０と誘電体層３０との間に、保護層５０を設けてもよい。
【０２０３】
これにより、二次電子放出特性を高めることができ、放電開始電圧をさらに低下させることができる。これは、発光層４４０が粉末状のＭｇＯによって形成されているので、放電に影響を与える二次電子放出特性は、発光層４４０の上層だけではなく下層からの影響も受けるためである。
【０２０４】
［４．実施例］
以下では、本実施の形態に係る紫外光発光素子４０１を試作し、特性の比較を行った結果について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態及び比較例に係る紫外光発光素子４０１の特性の評価結果を示す図である。
【０２０５】
図１３に示す比較例１及び比較例２は、実施の形態１で説明した比較例１及び比較例２と同じである。
【０２０６】
実施例６及び実施例７は、本実施の形態に係る紫外光発光素子４０１であり、発光層４４０上にＭｇＯ薄膜を保護層４５０として形成している。それ以外は、実施例６が比較例１と、実施例７が比較例２とそれぞれ同じ構成である。なお、保護層４５０は、スパッタリング法により発光層４４０上に１μｍの膜厚のＭｇＯ薄膜を成膜した。
【０２０７】
図１３に示すように、発光層４４０上にＭｇＯ薄膜から形成される保護層４５０を設けることで、劣化率が改善されていることが分かった。また、二次電子放出特性の高いＭｇＯ薄膜が放電空間１２に曝されるため、放電開始電圧は低下することが分かった。さらに、発光層４４０上に保護層４５０が成膜されているにも関わらず、初期の発光強度の低下が抑制されることが分かった。
【０２０８】
なお、本実施の形態において、保護層４５０としてＭｇＯを用いたが、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ又はこれらの混相層のいずれかを用いても高い二次電子放出特性を実現することができる。したがって、連続点灯による発光強度の経時的な低下を抑制することができる。
【０２０９】
（実施の形態４）
［１．構成］
以下、本開示の実施の形態４に係る紫外光発光素子５０１の構成について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施の形態に係る紫外光発光素子５０１の構成を示す断面図である。
【０２１０】
本実施の形態において、実施の形態３と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する場合がある。
【０２１１】
本実施の形態に係る紫外光発光素子５０１と実施の形態３に係る紫外光発光素子４０１との相違点は、保護層４５０の代わりに保護層５５０を備える点である。図１４に示すように、紫外光発光素子５０１では、複数の電極２０の直上の第３の領域９６に保護層５５０が設けられているが、複数の電極２０の直上でない第４の領域９７に保護層５５０は設けられていない。なお、作製プロセスを考慮すれば、第３の領域９６は、複数の電極２０の平面視形状に正確に一致する必要は無いことは言うまでもない。すなわち、第３の領域９６は、複数の電極２０の平面視の領域よりも狭くてもよいし、複数の電極２０の平面視の領域よりも広くてもよい。換言すれば、第３の領域９６は、複数の電極２０の直上の領域の少なくとも一部を含む領域である。なお、第３の領域９６は、複数の電極２０の直上のみならず、近接する２つの電極２０の間を含む領域上に設けられていてもよい。特に、図１４に示すように、第３の領域９６が複数の電極２０の直上の領域の全てを含む場合、本実施の形態の効果を高めることができる。また、第４の領域９７は、前記第３の領域９６とは異なる発光層４４０上の領域である。
【０２１２】
［２．製造方法］
次に、本実施の形態に係る紫外光発光素子５０１の製造方法について説明する。複数の電極２０の直上の領域を含む第３の領域９６に塗布可能なパターンを持つスクリーンマスクを用いて、保護層５５０を形成する。例えば、保護層４５０は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ若しくはＢａＯの単独材料のペレット、又は、それらの材料を混合したペレットを原料とした薄膜成膜方法によって形成される。薄膜成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの公知の薄膜成膜方法を用いることができる。他の工程は実施の形態３と同様である。
【０２１３】
［３．効果など］
以下では、本実施の形態に係る紫外光発光素子５０１について、その特徴及び効果を説明する。本実施の形態に係る紫外光発光素子５０１では、複数の電極２０の直上の第３の領域９６に保護層５５０が設けられているので、実施の形態３と同様の効果が得られる。さらに、複数の電極２０の直上でない第４の領域９７に保護層５５０は設けられていないので保護層による発光層の発光強度の低下を最低限に抑えることができ、発光強度を維持できるという効果が得られる。
【０２１４】
（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係る紫外光発光素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
【０２１５】
例えば、上記の実施の形態１及び２において、発光層４０の下層に保護層５０としてＭｇＯ薄膜を用いたが、これに限らない。ＭｇＯの代わりに、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ又はこれらの混相層のいずれかを用いてもよい。保護層５０がこれらの薄膜である場合でも、高い電子放出特性を実現することができるため、連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【０２１６】
また、上記の実施の形態１〜４において、第２の基体１１に例えば５μｍの膜厚で発光層６０を形成したが、これに限らない。第２の基体１１に発光層６０を設けなくても連続点灯による経時的な発光強度の低下を抑制することができる。
【０２１７】
また、上記の実施の形態１〜４において、発光層の材料としてハロゲン原子であるフッ素が含まれているＭｇＯ粉末を用いたが、例えばＣｌのようなフッ素以外のハロゲン原子を含有してもよい。あるいは、発光層は、ハロゲン原子を含まなくてもよい。この場合でも、図７に示すように、ＭｇＯ粉末は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にピークを持つ紫外光を発することができる。
【０２１８】
また、上記の実施の形態１〜４において、第２の基体１１に片面研磨のサファイアガラスを用いることで発光層６０の形成面に凹凸を設けたが、これに限らない。例えば、サンドブラスト等で第２の基体１１の表面に凹凸が付くように加工してもよい。
【０２１９】
また、上記の実施の形態１〜４において、放電ガスにＮｅとＸｅとの混合ガスを用いたが、これに限らず、Ｘｅの単体ガス又はＦ２等他のガスを用いてもよい。
【０２２０】
また、上記の実施の形態２において、複数の電極２０の直上の第２の領域９３には、発光層３４０が設けられ、発光層２４０が設けられていない例について示したが、これに限らない。例えば、発光層３４０の下層に、発光層２４０と同じ材料を含有する発光層が設けられてもよい。具体的には、発光層３４０は、実施の形態１に示す発光層４０の第２の発光部４２上に形成されてもよい。
【０２２１】
また、上記の実施の形態１〜４において、第１の基体１０及び第２の基体１１が共に平板である、すなわち、紫外光発光素子がパネル状である例について示したが、これに限らない。第１の基体１０及び第２の基体１１の各々は、主面が湾曲した湾曲板でもよい。例えば、第１の基体１０及び第２の基体１１の各々は、筒体でもよい。具体的には、第２の基体１１の内径が第１の基体１０の外径より小さく、第１の基体１０が第２の基体１１の内部に配置されてもよい。これにより、例えば、第２の基体１１の側面に沿って全方位に紫外光を出射することができる。
【０２２２】
また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２３】
本開示は、連続点灯による経時的な発光強度の低下が小さい紫外光発光素子を実現でき、例えば、殺菌、浄水、リソグラフ、照明などに利用することができる。
【符号の説明】
【０２２４】
１、２０１、３０１、４０１、５０１  紫外光発光素子
１０  第１の基体
１１  第２の基体
１２  放電空間
２０  電極
２１  第１の電極
２２  第２の電極
３０  誘電体層
４０、６０、２４０、３４０、４４０  発光層
４１  第１の発光部
４２  第２の発光部
５０、４５０、５５０  保護層
７０、８２  封着材
８０、８０ａ、８０ｂ  貫通孔
８１、８１ａ、８１ｂ  チップ管
９０  放電
９１  紫外光
９２  第１の領域
９３  第２の領域
９６  第３の領域
９７  第４の領域
１００  機能的加熱炉
１１１  ヒータ
１１２  加熱炉
１１３、１１４  配管
１２１、１２３、１２４、１２５  バルブ
１２２  ガス逃がし弁
１２６  圧力計
１３１  乾燥ガス供給装置
１３２  排気装置
１３３  放電ガス供給装置
１９０  乾燥ガス
【図１】
2016201352.tif 000003
【図２】
2016201352.tif 000004
【図３】
2016201352.tif 000005
【図４】
2016201352.tif 000006
【図５】
2016201352.tif 000007
【図６】
2016201352.tif 000008
【図７】
2016201352.tif 000009
【図８】
2016201352.tif 000010
【図９】
2016201352.tif 000011
【図１０】
2016201352.tif 000012
【図１１】
2016201352.tif 000013
【図１２】
2016201352.tif 000014
【図１３】
2016201352.tif 000015
【図１４】
2016201352.tif 000016