CN109075018A - 热辐射光源 - Google Patents

Abstract

提供能够抑制光学构造体的随时间的劣化的构造的热辐射光源。具备光学构造体（1），所述光学构造体（1）具有光学构造，在所述光学构造中在由半导体构成的构件形成了折射率分布，以使以比该半导体的带隙所对应的吸收端所对应的波长短波长的光进行谐振，光学构造体（1）具备包覆构造（30），所述包覆构造（30）被与折射部（10）的半导体不同的、能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的包覆材料包覆。

Description

热辐射光源

技术领域

本发明涉及具备光学构造体的热辐射光源，所述光学构造体具有光学构造，在所述光学构造中在由半导体构成的构件形成了折射率分布，以使以比前述半导体的带隙所对应的吸收端所对应的波长短波长的光进行谐振。

背景技术

通常地，当对物体进行加热时，产生放出光（电磁波）的热辐射，所述光具有与构成物体的物质和物体的温度对应的谱。通常，该热辐射放出具有强度遍及广的波段进行分布的、波长分布的光。

近年来，寻求并不是发出具有这样的广的波长分布的光而是发出在特定的波段中具有较大的强度的光的热辐射光源。

例如，可举出太阳能电池的领域或高效率的感测用光源的领域。

在例如太阳能电池领域的情况下，只有太阳光所包含的广的波段之中的、特定的波长区域的光有助于光电变换，其以外的波长的光的能量成为损失。

因此，进行了如下提案（专利文献1）：使用热辐射光源来将热能变换为特定的波长区域的辐射光来用于高效率的发电技术，所述热辐射光源使用了包含光学构造体的光子晶体构造，所述光学构造体具有：由半导体构成且以比半导体的带隙所对应的吸收端所对应的波长短波长的光进行谐振的方式形成折射率分布、在要放出辐射光的方向上为非对称的光学构造。

关于这样的、使用了半导体的热辐射光源，当从外部向热辐射光源供给热时，在半导体中吸收能量，产生从价带越过带隙向导带的电子的热激发。将这样的吸收称为“带间吸收”。然后，被激发的电子越过带隙迁移到价带，由此，产生辐射光。该半导体的辐射光具有比带隙高的能量，因此，具有比带隙的能量所对应的波长短的波长。也就是说，利用带间吸收而从半导体发出的辐射光的波长分布具有以下特征：比加热温度下的带隙的能量所对应的波长（以下称为“截止波长”）短的波长的强度变强。

此外，使用了这样的以特定的波长区域的光进行谐振的方式形成了折射率分布的光子晶体构造等光学构造体的热辐射光源利用该光的谐振对特定的波长区域的光进行放大，得到该特定的波长区域的光来作为辐射光。

作为决定该谐振和谐振的波长的参数，光学构造体的物理的形状或依赖于体积的大小的有效折射率站主导地位。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2014/136671号。

发明内容

发明要解决的课题

在例如1000℃以上的高温下使用上述那样的热辐射光源。因此，热辐射光源的由半导体构成的光学构造体随时间劣化。

因此，期望能够抑制光学构造体的随时间的劣化的构造的热辐射光源。

本发明是鉴于这样的实际情况而完成的，其目的在于提供将辐射光的波长分布保持为锐利并能够抑制光学构造体的随时间的劣化的构造的热辐射光源。

用于解决课题的方案

用于达成上述目的的本发明的热辐射光源在于以下方面，一种热辐射光源，具备光学构造体，所述光学构造体具有光学构造，在所述光学构造中在由半导体构成的构件形成了折射率分布，以使以比所述半导体的带隙所对应的吸收端所对应的波长短波长的光进行谐振，其中，

所述光学构造体具备包覆构造，所述包覆构造使用能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的包覆材料包覆由所述半导体构成的构件。

根据上述结构，包覆材料能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射，因此，在使用包覆材料包覆光学构造体的由半导体构成的构件的情况下，该热辐射光源也不吸收可见光至远红外线所包含的波长的光，不损坏热辐射的功能。

此外，由该包覆材料构成的包覆构造不吸收可见光至远红外线所包含的特定的波长的光，进而，不从包覆构造辐射可见光至远红外线所包含的波长的光，因此，能够将辐射光的波长分布保持为锐利。

即，包覆材料能够在不损坏热辐射光源的热辐射的功能的情况下包覆由半导体构成的构件。

像这样，包覆材料包覆光学构造体的由半导体构成的构件，包覆材料以与外部隔离的方式保护由半导体构成的构件，因此，光学构造体能够避免该半导体的氧化。例如，在1000℃以上的温度下也能够抑制氧化。

此外，像这样，包覆材料包覆光学构造体的由半导体构成的构件，包覆材料以补强的方式保护由半导体构成的构件，因此，能够对由光学构造体的发热或冷却造成的、热膨胀或热收缩所伴随的物理的应力（stress）增加耐性。

因此，能够抑制光学构造体的随时间的劣化。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述包覆构造的红外线吸收率为0.1%以下。

根据上述结构，能够在维持了热辐射光源的红外区域中的辐射效率的状态下抑制光学构造体的随时间的劣化。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述包覆材料为绝缘体。

当在包覆材料为非绝缘体的情况下对光学构造体的由半导体构成的构件包覆包覆材料时，包含了包覆构造的光学构造体整体的自由电子增加。在该情况下，该自由电子为本征载流子，引起自由电子（自由载流子）吸收。像那样做，在比半导体带隙所对应的吸收端所对应的波长、长波长区域的广的范围内辐射（即背景的辐射）增加，热辐射光源的辐射光的长波长分量变得宽阔。

可是，根据上述结构，在利用由绝缘体构成的包覆材料包覆光学构造体的由半导体构成的构件的情况下，与包覆非绝缘体的情况相比，也抑制光学构造体的自由电子的增加，因此，抑制自由载流子吸收，能够将热辐射光源的辐射光的波长分布维持为比半导体带隙所对应的吸收端所对应的波长、长波长区域的广的范围内的辐射少的窄带的、锐利的波长分布。此外，辐射光的波长分布锐利，因此，避免所供给的热能被长波长区域的辐射消耗，能够将所供给的热能高效率地变换为期望的峰值波长的辐射光。

再有，在利用包覆材料包覆光学构造体的由半导体构成的构件的情况下，峰值波长根据包覆量向长波长侧移动。在该情况下想要根据包覆量来维持峰值波长的情况下，只要根据包覆量减少光学构造体的由半导体构成的构件的质量或体积即可。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，为在光折射率比所述半导体小的光学基板配置有由所述构件构成的折射部的光子晶体构造。

根据上述结构，在折射部内形成了与该折射部的大小对应的波长的驻波。因此，能够从光学基板朝向配置有折射部的方向从折射部以较大的强度放出热辐射光。而且，由于该折射部被包覆材料包覆，所以，防止折射部的随时间的劣化，能够在维持了热辐射光源的辐射效率的状态下抑制光学构造体的随时间的劣化。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述光学基板能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射。

根据上述结构，能够避免该光学基板的光吸收，能够将热辐射光源的辐射效率维持得高。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述包覆材料的光折射率比所述光学基板的光折射率大。

根据上述结构，由包覆材料包覆的折射部为相对于光学基板而在折射部中包含包覆材料的大小的整体的不同折射率区域。于是，形成了在折射部中包含包覆材料的区域的大小所对应的波长的驻波。

即，能够根据包覆材料的包覆的厚度来变更辐射光源的辐射光的峰值波长。再有，辐射光的峰值波长是指在辐射光的波长分布的波长区域中辐射的强度（intensity）最大的波长。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述光学构造体具备包覆构造，所述包覆构造使用能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的包覆材料包覆所述光学基板。

根据上述结构，能够抑制光学基板的随时间的劣化，因此，其结果是，能够抑制在光学基板形成的光学构造体的随时间的劣化。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述包覆构造为由分别不同的光折射率的包覆材料包覆后的多层构造。

根据上述结构，使用使材料种类不同的、不同的光折射率的包覆材料包覆为多层，能够进一步抑制光学构造体的随时间的劣化。具体地，能够使多层构造的内层侧的包覆材料为适应光学构造体的半导体的材料，使表层侧为对热或应力强的材料。在该情况下，作为包覆构造，抑制半导体与包覆材料的界面的剥离并与单层的情况相比能够从热或应力更稳定地保护由半导体构成的构件。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述包覆材料为比所述半导体的熔点高的熔点的材料。

根据上述结构，与光学构造体的半导体相比对热或应力强的高熔点的材料包覆光学构造体的半导体，因此，能够从热或应力稳定地保护由半导体构成的构件。此外，能够抑制半导体的氧化。

本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述半导体为Si，辐射光的峰值波长为1800nm以下。

此外，本发明的热辐射光源的进一步的特征结构在于以下方面，所述半导体为SiC，辐射光的峰值波长为1100nm以下。

本发明的热辐射光源的辐射光的峰值波长当过于接近截止波长时，热辐射光的波长分布的在长波长侧的下摆被切断。因此，更期望辐射光的峰值波长不会较大地超过截止波长。

特别是在对于半导体而使用Si（硅）、SiC（碳化硅）的情况下，截止波长分别在通常的使用环境中在Si的情况下为约1700nm，在3C-SiC（SiC之中的具有被称为“3C”的立方晶构造的SiC）的情况下为约800nm。

因此，根据上述结构，能够在维持了实用的辐射效率的状态下从热辐射光源以实用的效率取出辐射光。

附图说明

图1是示出热辐射（thermal emission）光源的构造的图。

图2是示出不具备包覆构造的情况下的热辐射光源的波长与发射率（emissivity）的一个例子的图。

图3是示出具备包覆构造的情况下的热辐射光源的波长与发射率的一个例子的图。

图4是对不具备包覆构造的情况下的光学构造体的劣化状态的一个例子进行说明的图。

图5是对具备包覆构造的情况下的光学构造体的劣化状态的一个例子进行说明的图。

图6是示出包覆构造的状态和辐射光的波长分布的实验数据的图。

图7是包覆构造的状态和辐射光的波长分布的实验数据的放大图。

图8是示出包覆构造为二层的情况下的热辐射光源的构造的概略结构图。

图9是示出热辐射光源的温度和峰值波长的强度以及波长分布的实验数据的图。

图10是示出热辐射光源的温度和向特定的波长区域（wavelength region）的辐射的变换效率的评价数据的图。

具体实施方式

基于图1至图10来对本发明的实施方式的热辐射光源进行说明。

首先，基于图1来说明本实施方式的、具备光学构造体1的热辐射光源100的概略结构，所述光学构造体1具有光学构造，在所述光学构造中在由半导体构成的构件形成了折射率分布以使以比该半导体的带隙（band gap）所对应的吸收端所对应的波长短波长的光进行谐振（resonate）。

图1的热辐射光源100包含并具备由半导体构成的构件的折射部（refractiveportion）10、以及光折射率比折射部10的半导体小的光学基板20来作为光学构造体1。本例子的热辐射光源100还具备从外部接收能量的热传导构件90。

该光学构造体1具有非对称的光学构造，在所述非对称的光学构造中在构成为平板状的光学基板20的要使辐射光放出的方向的一个面呈正方格子状配置有折射部10。因此，设置该折射部10的面成为使辐射光放出的方向。再有，折射部10的配置并不限于正方格子状。

该光学构造体1的光学构造也被称为所谓的光子晶体（photonic crystal）构造。

在光学基板20的另一个面以能热传导的方式配置有热传导构件90。

因此，该热辐射光源100具有以下的功能：使用光学构造体1将经由热传导构件90供给的热能变换为包含与光学构造体1的光学构造对应的波长的辐射光。

在光学构造体1中，能够包含折射部10、光学基板20、以及其以外的功能部。本例子的光学构造体1具备包覆构造30来作为其以外的功能部之一，所述包覆构造30被与折射部10的半导体不同的材质的、能够透射可见光至远红外线所包含的波长的光的、包覆材料包覆。再有，可见光至远红外线所包含的波长在本申请中是指至少波长1100至5000nm的范围的波长，优选的是波长750至10000nm的范围的波长，进而优选的是波长500至10000nm的范围的波长。

因此，光学构造体1包含折射部10、光学基板20、包覆构造30来形成了一个光学构造。

以下，对各部的构造进行详述。

再有，在以下对形成各部的材料等进行说明的情况下，对在特别是无记载的情况下该材料等全部具有晶体构造的情况进行说明。本申请发明的包覆构造30并不限于晶体构造的情况，也能够包含材料为非晶质（amorphous）的情况，但是，本申请发明的包覆构造30在具有晶体构造的情况下具有更高的耐久性，因此，是优选的。

折射部10被包含在由半导体形成的构件中。在半导体中包含本征半导体（intrinsic semiconductor）。

在本例子中，折射部10由Si的晶体形成。

作为能够用作折射部10的半导体，除了Si晶体之外也能够优选使用SiC。再有，Si或SiC为本征半导体。

在本例子中，说是辐射光的波长分布之中的在3000nm以下的波长区域中辐射的强度（intensity）最大的波长。

Si的截止波长（cutoff wavelength）为约1700nm。因此，在折射部10中使用Si的情况下，优选确定光学构造体1的光学构造，以使辐射光的峰值波长为1800nm以下。

SiC的截止波长为约800nm。因此，在折射部10中使用SiC的情况下，关于截止波长，优选确定光学构造体1的光学构造，以使辐射光的峰值波长为1100nm以下。

折射部10在本例子中以在光学基板20上突起的状态形成为圆柱状。在本例子中，示出了光学构造体1为在一个光学基板20设置有折射部10的、由一层构成的光学构造体1的情况。

当举出一个例子时，折射部10的直径d大概为200nm。此外，折射部10的高度h大概为500nm。折射部10被排列成正方格子状，正方格子的周期长度（period length）a（相邻的棒（rod）的中心间的距离）大概为600nm。

光学基板20为能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的基板。换言之，为在可见光至远红外线区域中不具有吸收率的基板。在本例子中，在平板上构成该光学基板20。

光学基板20由能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的材料形成。在本例子中，示出了由厚度1μm的SiO2（二氧化硅）形成的例子。

作为用于光学基板20的、能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的材料，例如能够优选使用SiO2、HfO2（氧化铪）、MgO（氧化镁）、Al2O3（氧化铝、蓝宝石）、Y2O3（氧化钇）、CaF2（氟化钙）、BaF2（氟化钡）等。

包覆构造30为至少对折射部10的表面进行覆盖的构件。在本例子中，折射部10和光学基板20被由一层的包覆材料构成的一体的包覆构造30覆盖。也就是说，在本例子中，包覆构造30为对折射部10的表面进行包覆的、所谓的覆盖膜。

在本例子中，在包覆构造30中，具备对折射部10进行覆盖的构件来作为包覆部31，具备对光学基板20进行覆盖的构件来作为包覆部32。

包覆构造30由能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的包覆材料形成。这是因为：能够从光学构造体1放出辐射光。

由于能够放出辐射光，所以，形成包覆构造30的包覆材料优选采用红外线吸收率为0.1%以下的红外线透射材料。再有，该红外线吸收率说是室温（25℃）下的值。此外，该红外线吸收率优选在包覆构造30为覆盖膜的状态下在波长1100至7000nm的范围优选的是波长500至10000nm的范围的特性中为该吸收率。

在本例子中，示出了使用HfO2形成了包覆构造30的例子。关于HfO2，波长500至10000nm的范围的波长的光的吸收率为0.1%以下，作为红外线透射材料是优选的。

形成包覆构造30的包覆材料的光折射率优选构成得比形成光学基板20的材料的光折射率大。

在本例子中，形成包覆构造30的HfO2的光折射率为1.91，比形成光学基板20的SiO2的光折射率1.46大。

形成包覆构造30的包覆材料优选为绝缘体。

在本例子中，形成包覆构造30的HfO2为绝缘体。

关于形成包覆构造30的包覆材料，在包覆材料为氧化物的情况下，优选的是，该氧化物氧化之前的元素的标准吉布斯能（standard Gibbs energy）与半导体的标准吉布斯能相同或比半导体的标准吉布斯能小。更优选的是，该氧化物氧化之前的元素的标准吉布斯能比半导体的标准吉布斯能小。再有，在本例子中，从0℃到1500℃使用氧化物的标准吉布斯能。

通过像这样选择包覆材料，从而能够抑制半导体的氧化来抑制光学构造体1的随时间的劣化。

形成包覆构造30的包覆材料的熔点优选为1200℃以上。

在本例子中，形成包覆构造30的HfO2的熔点为2758℃。

因此，本例子的包覆材料的熔点比作为半导体的Si的熔点1414℃高。

作为优选为形成包覆构造30的包覆材料的其他的材料，能够例示出SiO2、HfO2、MgO、Al2O3、Y2O3、CaF2。

关于这些材料，在为覆盖膜的状态的情况下，波长1100至5000nm的范围的波长的光的吸收率为0.1%以下，光折射率为1.40以上，进而为绝缘体。再有，在本例子中所说的绝缘体是指电阻率为10的8乘方欧姆（ohm）m以上的材料。

在包覆构造30中，分别形成包覆部31和包覆部32也可，同时形成包覆部31和包覆部32也可。此外，包覆部32未必需要。

包覆构造30至少具备包覆部31，优选的是具备包覆部32。

再有，优选例如针对光学构造体1在ALD（原子层沉积）或CVD（化学气相沉积）中组合光掩模（photomask）法或蚀刻法、电子束光刻（electron-beam lithography）法、纳米压印（nanoimprint）法等来形成包覆构造30。与仅在折射部10形成包覆构造的情况相比，以在折射部10中也包含光学基板20的方式对光学构造体1的表面进行包覆的情况的加工性或经济性更优越而优选。

对光学构造体1的构造与辐射光的关系进行说明。

光学构造体1为所谓的光子晶体构造，能够得到与光学构造体1的光学构造对应的波长和波长分布的辐射光。

在本例子那样的光学构造体1的情况下，通过改变例如折射部10的直径d、折射部10的高度h和正方格子的周期长度a，从而能够变更辐射光的峰值波长。

在本例子中，光学构造体1还具备包覆构造30，因此，在包覆构造30的状态下光学构造体1的光学构造发生变化。因此，针对折射部10的直径d和折射部10的高度h，还需要考虑作为包覆构造30之中的对折射部10进行包覆的覆盖膜的、包覆部31的厚度即膜厚t。

在光学构造体1中，辐射光沿着光折射率比包含光学基板20的周围高的折射部10在折射部10的高度h的方向上传播。然后，该光在折射部10的下端和上端处被反射，由此，产生驻波，形成了光的谐振状态。

利用该谐振将特定波长的光放大，将其作为在特定的波长具有峰值的辐射光向外部放出。

因此，当高度h变高时，辐射光的峰值波长的强度增加。

在光学构造体1还包含包覆构造30的情况下，在光学构造体1中，辐射光沿着光折射率比包含光学基板20的周围高的折射部10和包覆部31在折射部10和包覆部31的高度h的方向上传播。然后，该光在折射部10的下端和在折射部10的上端包覆的包覆部31的上端处被反射，由此，产生驻波，形成了光的谐振状态。

利用该谐振将特定波长的光放大，将其作为在特定的波长具有峰值的辐射光向外部放出。

因此，当高度h变高此外膜厚t变厚时，辐射光的峰值波长的强度增加。

对辐射光的峰值波长与折射部10的直径d的关系进行补充。

驻波的波长依赖于折射部10的高度h，并且，由于当光从折射部10渗出时有效折射率发生变化，所以也依赖于折射波10的直径d。

当直径d变大时，光学构造体1的有效折射率变大。因此，当直径d变大时，辐射光的峰值波长变长。

在还包含包覆构造30的情况下，光学构造体1的有效折射率根据包覆部31的厚度而变大。

因此，当膜厚t变大时，辐射光的峰值波长变长。

再有，折射部10的周期长度a的不同根据有效折射率不同这样的方面对加热温度下的谐振波长造成影响，但是，并不是由折射部10的直径d的不同造成的影响那么大。

当折射部10的周期长度a过于短时，在折射部10间电磁场分布的重叠变大而产生相互作用，由此，产生了谐振波长依赖于光的出射角度而发生变化这样的影响。

另一方面，当该周期长度a比辐射光的波长长时，产生高阶的衍射，由此，在多个方向上产生来自一个谐振模式的辐射。因此，期望周期长度a比来自各棒的电磁场的浸出距离大，并且，比发光波长小。

在本例子的情况下，折射部10的直径d、高度h、周期长度a和膜厚t的优选的范围为以下。

直径d的优选的范围为50至300nm。在直径d过于小的情况下，损坏光学构造体1的耐久性。此外，辐射光的辐射的强度过于变小。在直径d过于小的情况下，在过于大的情况下，源自长波长侧的自由电子的背景（background）的辐射增加。

高度h的优选的范围为50至1000nm。高度h根据期望的辐射光的峰值波长的长度而决定。

周期长度a的优选的范围为20至1600nm。当周期长度a过于短时，在折射部10间电磁场分布的重叠变大而产生相互作用，由此，产生了谐振波长依赖于光的出射角度而发生变化这样的影响。另一方面，当周期长度a比发光波长长时，产生高阶的衍射，由此，在多个方向上产生来自一个谐振模式的辐射。因此，期望周期长度a比来自各折射部10的电磁场的浸出距离大，并且，比辐射光的峰值波长小。

此外，膜厚t为2至200nm。关于膜厚t，优选10至50nm，其中特别优选25至50nm。当膜厚t过于小时，损坏从外部保护折射部10等的功能，存在过于大的辐射光的峰值波长过于变长的情况。

热传导构件90为从外部接收向热辐射光源100供给的热能而向光学构造体1供给热能的构件。

在本例子中，热传导构件90以能热传导的方式与光学基板20密接。折射部10经由光学基板20接收由热传导构件90接收到的热能，发出辐射光。也就是说，使用折射部10将由热传导构件90接收到的热变换为辐射光。

热传导构件90优选使用透红外玻璃（infrared transparent glass）。

作为优选为热传导构件90的透红外玻璃，例如能够使用MgO、SiC、金刚石、蓝宝石、氮化铝、氮化镓、氟化钙、氟化镁、硒化锌、氟化钡等。其中，特别是MgO或蓝宝石在成本和耐久性上优越。

此外，热传导构件90的厚度被构成为10μm至3mm左右。在本例子中，以0.5mm使用蓝宝石。在使用SiC的情况下例如为50μm左右。

实施例

以下，示出实施例来更详细地说明本发明，但是，本发明并不限定于这些实施例。

在以下的实施例中，一边将热辐射光源100具备包覆构造30的情况与不具备包覆构造30的情况比较，一边说明包覆构造30的效果。

此外，在以下的实施例中特别是未事先说好的情况下，对热辐射光源100为以下的结构的情况进行叙述。热辐射光源100的光学构造体1具备由作为半导体的Si构成的折射部10、以及由光折射率比折射部10的半导体小的SiO2构成的光学基板20。此外，本例子的热辐射光源100还具备由蓝宝石构成的热传导构件90。

首先，使用图2至5来对包覆构造30的效果和劣化进行说明。

（比较例1）

图2是对不具备包覆构造30的情况下的、热辐射光源100的辐射光进行了评价的评价例。图2示出了发射率E（Emissivity）与辐射光的波长λ的分布的关系。以后，在没有特别说明的情况下，在各图中，E意味着发射率，在图中，λ表示波长。

对图2的评价例的条件等进行说明。热辐射光源100的温度为1000℃。此外，折射部10的直径d为225nm，高度h为500nm，周期长度a为600nm。由于不具备包覆构造30，所以膜厚t为零。

图3是对在图2中示出的热辐射光源100的劣化进行了评价的评价例。在图2中，α1表示热辐射光源100的温度为1000℃的情况下的、劣化前的辐射光的波长谱（wavelengthspectrum）。α2表示热辐射光源100的温度为1000℃的情况下的、劣化后的辐射光的波长谱。再有，劣化条件为在1100℃下保持30分钟。

（实施例1）

图4示出作为形成包覆构造30的包覆材料而具备作为绝缘体的HfO2的情况下的评价例。图4与图2同样地示出了发射率E与辐射光的波长λ的分布的关系。

对图4的评价例的条件等进行说明。热辐射光源100的温度为1000℃。此外，折射部10的直径d为205nm，高度h为500nm，周期长度a为600nm。包覆构造30的膜厚t为25nm。

图5是对在图4中示出的热辐射光源100的劣化进行了评价的评价例。在图4中，β1表示热辐射光源100的温度为1000℃的情况下的、劣化前的辐射光的波长谱。β2表示热辐射光源100的温度为1000℃的情况下的、劣化后的辐射光的波长谱。再有，劣化条件为在1100℃下保持30分钟。

从比较例1和实施例2的结果，能够如以下那样判断具备包覆构造30的情况下的效果。

首先，能够从图2、4进行以下的评价。

在如实施例1那样具备包覆构造30的情况下和在如比较例1的情况那样不具备包覆构造30的情况下，热辐射光源100的在1100nm以下进行辐射而在比1100nm大的波长区域中不发出辐射的特性都不发生改变。也就是说，没有不期望的波长的辐射光增加那样的不利。

此外，能够从图3、5进行以下的评价。

在实施例1和比较例1双方中，与劣化前（α1、β1）相比劣化后（α2、β2）的辐射光的波长谱都向短波长侧进行了移动。

可是，如实施例1那样具备包覆构造30的情况与如比较例1的情况那样不具备包覆构造30的情况相比，在劣化前后的波长谱的变化小。也就是说，判断为：如实施例1那样具备包覆构造30的情况与如比较例1的情况那样不具备包覆构造30的情况相比，由于折射部10被包覆构造30保护，所以抑制了劣化的进行。也就是说，认为提高了热辐射光源100的耐热性。

再有，设想：当耐热性提高时，在以热辐射光源100的温度更高的状态进行使用的情况下，长波长侧的背景的辐射相对地减少。

对实施例1和实施例2的结果进行补充。

比较例1的劣化后的折射部10的直径d为210nm，与劣化前相比也减少了15nm。

实施例1的劣化后的折射部10的直径d为200nm，与劣化前相比只减少5nm。

根据该结果也判断为：如实施例1那样具备包覆构造30的情况与如比较例1的情况那样不具备包覆构造30的情况相比，抑制了劣化的进行。

也就是说，认为提高了热辐射光源100的耐热性，因此，设想：在以热辐射光源100的温度更高的状态进行使用的情况下，长波长侧的背景的辐射相对地减少。

接着，使用图6、7来对包覆构造30的效果进行补充。

图6、7为示出热辐射光源100具备包覆构造30的情况和不具备包覆构造30的情况下的、热辐射光源100的温度分别为1000℃的情况下的、辐射强度I（intensity）与波长λ的关系的评价例。

首先，对图6、7的评价例进行说明。

在图6、7中，A、B、C、D分别与比较例2、实施例2、实施例3、比较例3对应。以下，对各个进行详述。

（比较例2）

关于A，折射部10的直径d为200nm，高度h为500nm，周期长度a为600nm。由于不具备包覆构造30，所以膜厚t为零。辐射光的峰值波长大概处于920nm附近。

（实施例2）

关于B，折射部10的直径d为200nm，高度h为500nm，周期长度a为600nm。作为形成包覆构造30的包覆材料而具备HfO2，膜厚t为50nm。也就是说，B为相对于比较例2的A进一步将包覆构造30形成得厚的例子。

由于具备包覆构造30，辐射光的峰值波长与A相比向长波长侧移动。辐射光的峰值波长大概处于970nm附近。这是因为：光学构造体1的有效折射率根据膜厚t而变大。

（实施例3）

关于C，折射部10的直径d为200nm，高度h为500nm，周期长度a为600nm。作为形成包覆构造30的包覆材料而具备作为绝缘体的HfO2，膜厚t为25nm。也就是说，C为相对于比较例2的A进一步将包覆构造30形成得薄的例子。

由于具备包覆构造30，辐射光的峰值波长与A相比向长波长侧移动。辐射光的峰值波长大概处于950nm附近。这是因为：光学构造体1的有效折射率根据膜厚t而变大。可是，当与实施例2的B相比较时，膜厚t薄，因此，辐射光的峰值波长的向长波长侧移动量稍微小。

（比较例3）

关于D，折射部10的直径d为220nm，高度h为500nm，周期长度a为600nm。由于不具备包覆构造30，所以膜厚t为零。

也就是说，D为相对于比较例2的A进一步将折射部10的直径d形成得粗的例子。

由于将直径d形成得粗，辐射光的峰值波长与A相比向长波长侧移动。辐射光的峰值波长大概处于950nm附近。这是因为：光学构造体1的有效折射率根据直径d而变大。辐射光的峰值波长的向长波长侧移动量为与实施例2的B或实施例3的C相同程度。可是，辐射光的辐射强度I在长波长侧增加，波长分布宽阔（broad）地发生了变化。具体地，1100nm以上的辐射光的强度进行了增大。认为是因为：源自自由电子吸收的背景的辐射进行了增加。

此外，能够从图6、7对比较例2、实施例2、实施例3、比较例3进行以下的评价。

在直径d变大或膜厚t变厚的情况下，辐射光的峰值波长向长波长侧移动。

可是，在使峰值波长向长波长侧移动相同程度的大小的情况下，与使由作为半导体的Si构成的折射部10的直径d变大的情况（比较例3的情况）相比，将作为绝缘体的HfO2作为包覆材料来设置包覆构造30的情况（实施例2、3的情况）的辐射光的波长分布在也包含长波长侧的情况下更锐利（sharp）。

因此，当将作为绝缘体的HfO2作为包覆材料而设置包覆构造30时，使被认为是源自自由电子吸收的长波长侧的背景的辐射的强度变小，在将辐射光的波长分布维持为锐利的状态下能够进行使例如峰值波长向长波长侧移动等任意的控制。

总括比较例1至3和实施例1至3的比较结果。

本实施例的热辐射光源100具备包覆构造30的情况与不具备该包覆构造30的情况相比，劣化被抑制后的耐久性变高，所述包覆构造30将为红外线透明玻璃且为绝缘体且光折射率比形成光学基板20的SiO2大的HfO2作为包覆材料。因此，设想：在以热辐射光源100的温度更高的状态进行使用的情况下，长波长侧的背景的辐射相对地减少。

此外，使被认为源自自由电子吸收的、长波长区域的背景的辐射减少，能够得到具有锐利的波长分布的辐射，因此，将从外部接收到的能量变换为期望的波长峰值的辐射光的效率变高。

这样的热辐射光源100在例如用于太阳能电池用的光源的情况下得到高的发电效率，在用作传感器用的光源的情况下，能够在省电力下得到高精度的传感器。

（实施例4）

在上述的实施例1至3中，示出了作为包覆构造30而使用了HfO2的情况，但是，在具备包覆构造30的情况下也能够得到与实施例1至3同样的效果，所述包覆构造30将为红外线透明玻璃且为绝缘体且光折射率比形成光学基板20的SiO2大的Al2O3作为包覆材料。再有，Al2O3的光折射率为约1.75。

表示辐射光的波长分布的图表只好作罢，但是，在折射部10的直径d为200nm、高度h为500nm、周期长度a为600nm、使作为形成包覆构造30的包覆材料的Al2O3的膜厚t为50nm的情况下，辐射光的峰值波长与比较例2的A相比向长波长侧移动，辐射光的峰值波长大概处于950nm附近。同样这是因为：光学构造体1的有效折射率根据膜厚t而变大。

再有，Al2O3的熔点为2072℃，因此，在具备将Al2O3作为包覆材料的包覆构造30的情况下，当然也保护折射部10，也抑制劣化的进行。此外，可加热温度上升，当然能够抑制背景的辐射。

使用图9、10来对半导体的氧化和背景的辐射进行补充。

本例子的热辐射光源100抑制了半导体的氧化，因此，也得到以下的效果。

在当在高温下使用热辐射光源100时在其使用环境中包含氧的情况下，利用该氧将热辐射光源100的半导体氧化。该氧化开始的温度成为热辐射光源的能够加热的温度的上限。可是，当具备包覆构造30时，光学构造体1的可加热的温度提高。

因此，通常不能在高到规定的温度以上的温度下使用热辐射光源100。可是，本例子的热辐射光源100提高了耐热性，因此，使使用温度上升，进而能够进行背景的热辐射的抑制，提高向规定的波长区域的辐射光的变换效率。

再有，在本例子中，向规定的波长区域的辐射光的变换效率是指热辐射光源100的辐射光的全部波长区域之中的、期望的波长区域的辐射光的能量的比例。

（实施例5）

以下，在图9中示出本例子的热辐射光源100的温度和峰值波长的强度的评价实验例的实验数据。此外，示出本例子的热辐射光源100的温度和向规定的波长区域的辐射光的变换效率的评价例的评价数据（图10）。再有，在没有特别说明的情况下，图9、10中的记号或热辐射光源100的结构与其他的例子相同。

再有，在以下的例子中，折射部10的直径d为200nm，高度h为500nm，周期长度a为600nm。包覆构造30的膜厚t为25nm。

图9示出在3个温度下的、辐射光的波长λ与辐射强度I的关系。

Ta、Tb、Tc分别表示在1300K、1450K、1600K的温度下的热辐射光源100的辐射光的强度的分布。再有，K意味着绝对温度的开氏温标（kelvin）。

如图9所示那样，当热辐射光源100的温度变高时，辐射光的强度变大。此外，辐射光的峰值波长的强度相对于其他的波长区域相对地更加上升，辐射光的波长分布变得锐利。

图10是与图9的3个评价对应的评价数据。图10示出Ta、Tb、Tc的、向不足1100nm的波长区域的辐射的变换效率C。

从图10可知：当温度上升时，变换效率C的值上升，高效率地得到热辐射光源100的辐射光的全部波长区域之中的、作为期望的波长区域的辐射光的不足1100nm的波长的辐射光。

[另一实施方式]

（1）在上述实施方式中，示出了使用由一层的包覆材料构成的包覆部形成包覆构造30的例子，但是，也可以使用由分别不同的光折射率的多个包覆材料构成的包覆部形成包覆构造30。例如，如图8那样，也能够使用包覆部31和光折射率与包覆部31不同的第二包覆部33构成折射部10的包覆构造30。

在该情况下，优选第二包覆部33的材料的光折射率比包覆部31的材料的光折射率小的组合。在图8的情况下例如包覆部31为HfO2的情况下，优选将蓝宝石用作第二包覆部33。

像这样做，辐射光的长波长侧的背景的辐射被抑制，波长分布不会变得宽阔，能够将辐射光的波长分布维持为锐利。

此外，也可以使用由分别不同的熔点的多个包覆材料构成的包覆部形成包覆构造30。特别是优选第二包覆部33的材料的熔点比包覆部31的材料的熔点大的组合。像这样做，能够抑制半导体的氧化。

在图8的情况下例如包覆部31为HfO2的情况下，优选将蓝宝石用作第二包覆部33。HfO2的熔点为2758℃，作为Al2O3，蓝宝石的熔点为2072℃。在包覆构造30的表层侧（包覆部31）的熔点高的情况下，包覆构造30的耐热性变高，在包覆构造30的内层侧（第二包覆部33）的熔点相对于表层侧（包覆部31）相对低的情况下，折射部10的半导体与包覆构造30的界面的结合力变高，折射部10和包覆构造30作为一个构造体得到更高的强度。也就是说，使包覆构造30为所谓的倾斜材料。

再有，当特别是在将Si用作半导体的情况下使用蓝宝石时，能够抑制HfO2与Si的反应。再有，反应是指由HfO2所包含的氧进行的Si的氧化或HfO2与Si的相熔或固相扩散。

再有，在使用包覆部31和光折射率与包覆部31不同的第二包覆部33来构成包覆构造30的情况下、关于形成第二包覆部33的包覆材料、包覆材料为氧化物的情况下，优选该氧化物氧化之前的元素的标准吉布斯能比包覆部31的包覆材料的标准吉布斯能小。再有，在本例子中，从0℃到1500℃使用氧化物的标准吉布斯能。

通过像这样选择第二包覆部33的包覆材料，从而能够抑制半导体的氧化来抑制光学构造体1的随时间的劣化。

再有，包覆构造30并不限于上述那样的二层的情况，也能够采用三层以上的多层构造。

（2）在上述实施方式中，说明了辐射光的峰值波长由直径d、高度h、周期长度a和膜厚t决定的情况。

在上述实施方式中，首先确定直径d、高度h、周期长度a来决定光学构造体1的光学构造，但是，在进行使辐射光的峰值波长向长波长侧移动的微调整的情况下，也能够使包覆构造30的膜厚t变厚，使辐射光的峰值波长向长波长侧移动。换言之，为了使辐射光的峰值波长向长波长侧移动，也能够设置包覆构造30来调整膜厚t而得到期望的峰值波长的辐射光。

如在图6、7中示出那样，在使辐射光的峰值波长在到200nm左右的范围内向长波长侧移动的情况下，与调整直径d的情况相比，长波长侧不会变得宽阔，能够维持为比半导体带隙所对应的吸收端所对应的波长长波长区域的广范围内的辐射少的状态的、背景的热辐射被抑制后的、锐利的波长分布，因此，是优选的。

（3）在上述实施方式中，示出了光学构造体1的表面由一体的包覆构造30覆盖的情况，但是，在包覆构造30中分别构成有包覆部31和包覆部32也可。此外，也可以为仅具备包覆构造30之中的、特别是对折射部10进行覆盖的构造部即包覆部31的结构。

（4）在上述实施方式中，示出了光学构造体1的表面由一体的包覆构造30覆盖的情况，但是，在包覆构造30中分别构成有包覆部31和包覆部32也可。此外，也可以为仅具备包覆构造30之中的、特别是对折射部10进行覆盖的构造部即包覆部31的结构。

（5）在上述实施方式中，示出了光学构造体1为在一个光学基板20设置有折射部10的、由一层构成的二维状的光学构造体1的情况，但是，光学构造体1也可以为以下结构，为在多个光学基板20的各个设置有折射部10的、三维状的光学构造体1。

（6）在上述实施方式中，示出了包覆构造30的厚度为膜厚t的情况，但是，在包覆构造30中，作为包覆部31的厚度的膜厚t31和作为包覆部32的厚度的膜厚t32也可以被构成为不同的膜厚。

产业上的可利用性

本发明能够有用地用作热光发电或高效率的感测（sensing）用的光源。

附图标记的说明

1：光学构造体

10：折射部（构件）

20：光学基板

30：包覆构造

31：包覆部

32：包覆部

33：第二包覆部

100：热辐射光源。

Claims (11)

1.一种热辐射光源，具备光学构造体，所述光学构造体具有光学构造，在所述光学构造中在由半导体构成的构件形成了折射率分布，以使以比所述半导体的带隙所对应的吸收端所对应的波长短波长的光进行谐振，其中，

所述光学构造体具备包覆构造，所述包覆构造使用能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的包覆材料包覆由所述半导体构成的构件。

2.根据权利要求1所述的热辐射光源，其中，所述包覆构造的红外线吸收率为0.1%以下。

3.根据权利要求2所述的热辐射光源，其中，所述包覆材料为绝缘体。

4.根据权利要求3所述的热辐射光源，其中，所述光学构造体为在光折射率比所述半导体小的光学基板配置有由所述构件构成的折射部的光子晶体构造。

5.根据权利要求4所述的热辐射光源，其中，所述光学基板能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射。

6.根据权利要求4或5所述的热辐射光源，其中，所述包覆材料的光折射率比所述光学基板的光折射率大。

7.根据权利要求4至6的任一项所述的热辐射光源，其中，所述光学构造体具备包覆构造，所述包覆构造使用能够对可见光至远红外线所包含的波长的光进行透射的包覆材料包覆所述光学基板。

8.根据权利要求4至7的任一项所述的热辐射光源，其中，所述包覆构造为由分别不同的光折射率的包覆材料包覆后的多层构造。

9.根据权利要求4至8的任一项所述的热辐射光源，其中，所述包覆材料为比所述半导体的熔点高的熔点的材料。

10.根据权利要求4至9的任一项所述的热辐射光源，其中，所述半导体为Si，辐射光的峰值波长为1800nm以下。

11.根据权利要求4至9的任一项所述的热辐射光源，其中，所述半导体为SiC，辐射光的峰值波长为1100nm以下。