JP2019160461A

JP2019160461A - 熱輻射光源

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Publication number: JP2019160461A
Application number: JP2018042059A
Authority: JP
Inventors: 真大末光; Masahiro Suemitsu; 禎齋藤; Tei Saito; 野田　進; Susumu Noda; 進野田; 卓浅野; Taku Asano; ゾイサメーナカデ; De Zoysa Menaka
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Kyoto University NUC
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Kyoto University NUC
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: JP7075041B2

Abstract

【課題】シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材と酸化マグネシウムからなる基材とを有する光学構造体を備え、特定の波長域の熱輻射光を安定して発生することが可能な熱輻射光源を提供する。【解決手段】シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材３と酸化マグネシウムからなる基材４とを有する光学構造体２を備えた熱輻射光源であって、エミッタ部材３と基材４との間に、エミッタ部材と基材とを分かつように酸化ハフニウム層が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、特定の波長域において大きい強度を有する光を発する熱輻射光源に関し、特に、シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材と酸化マグネシウム結晶からなる基材とを有する光学構造体を備えた熱輻射光源に関する。

一般に、物体を加熱すると、物体を構成する物質及び物体の温度に応じたスペクトルを有する光が放出される熱輻射が発生する。上記熱輻射光源は、この熱輻射を利用して、広い波長スペクトルを有する光源を得るものであるが、近年、例えば、太陽光に含まれる広い波長域の中の特定の波長域（近赤外領域）の光のみが光電変換に寄与する太陽電池への応用を図るべく、広い波長スペクトルを有する熱輻射光ではなく、特定の波長域において大きい強度を有する熱輻射光が放出される熱輻射光源の開発が行われている。

特定の波長域の熱輻射光を放出する熱輻射光源としては、例えば、特許文献１に記載された熱輻射光源が提案されている。

特許文献１に記載された熱輻射光源は、真性半導体からなる部材に、この真性半導体のバンドギャップに対応する波長よりも短い波長の光に共振するように屈折率分布が形成されている光学構造を有する熱−光変換器を備えており、具体的に、真性半導体からなる部材にはシリコンを材料とする円柱状のロッドを採用し、真性半導体よりも屈折率が低い部分には、二酸化珪素を材料とする基体を採用している。

この従来の熱輻射光源によれば、当該熱−光変換器を加熱することにより、シリコンのバンド間吸収によるエネルギーの吸収が生じて、そのエネルギーに対応する熱輻射光の発光が生じる。このようにして生じた熱輻射光のスペクトルは、光学構造によって共振波長（９５０ｎｍ）付近をピークトップとする波長スペクトルとなる。このように、従来の熱輻射光源によれば、真性半導体としてシリコンを用いた場合、熱輻射光は、主にシリコン由来の近赤外領域において大きい強度を有するものとなる。

国際公開第２０１４／１３６６７１号

ところが、上記従来の熱輻射光源において熱−光変換器を加熱した場合、真性半導体たるシリコンだけでなく、基体を構成する二酸化珪素も併せて加熱されるため、シリコン由来の近赤外領域の波長の熱輻射光に加え、二酸化珪素由来の中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出も起こる。そのため、例えば、この熱輻射光源を太陽電池による発電に利用した場合、光電効果に寄与する近赤外領域の波長以外の熱輻射光のエネルギーは損失となる。

そこで、本願発明者は、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出が少ない基体（基材）の材料について鋭意研究を重ねた結果、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）結晶が基材の材料に適していることを見出した。

しかしながら、本願発明者が更に研究を重ねた結果、酸化マグネシウム結晶を基材として用い、この基材上にシリコンフォトニック結晶からなるロッドなどを直接形成した光学構造体を備える熱輻射光源には、次のような問題があることが明らかになった。

即ち、上記熱輻射光源には、光学構造体を加熱した際に、シリコンフォトニック結晶からなるロッドが酸化マグネシウム結晶からなる基材と溶け合ったような状態となることで、光学構造体がその構造を維持することができず崩壊し、その結果、特定の波長域の熱輻射光の放出が正常に起こらなくなるという問題がある。

光学構造体を加熱した際に、シリコンフォトニック結晶中の珪素と基材の酸化マグネシウムとが高温下において反応することで、複合酸化物（例えば、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４））が形成される、或いはシリコンフォトニック結晶の表面が不均一に酸化され、酸化によって生成した二酸化珪素（ＳｉＯ_２）と酸化マグネシウムとが反応することで、酸化マグネシウムからなる基材とシリコンフォトニック結晶との間に複合酸化物が形成される。そして、この複合酸化物の密度が珪素や二酸化珪素、酸化マグネシウムの密度よりも高いため、当該複合酸化物が形成されて珪素又は二酸化珪素と酸化マグネシウムとが相互に接近する方向に引き付けられることにより、上記のような問題が生じると推察される。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材と酸化マグネシウムからなる基材とを有する光学構造体を備え、特定の波長域の熱輻射光の放出が安定して起こる熱輻射光源の提供を、その目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る熱輻射光源の特徴構成は、シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材と酸化マグネシウム結晶からなる基材とを有する光学構造体を備えた熱輻射光源であって、
前記エミッタ部材と前記基材との間に、前記エミッタ部材と前記基材とを分かつように酸化ハフニウム層が形成されている点にある。

上記特徴構成によれば、基材として酸化マグネシウムを用いることで、熱輻射光源を加熱した際に、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出を抑えることができる。

更に、上記特徴構成によれば、シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材と酸化マグネシウムからなる基材との間に、二酸化珪素、珪素及び酸化マグネシウムと化合物を形成しない酸化ハフニウムからなる層が形成されており、この酸化ハフニウムからなる層が防壁となることで、エミッタ部材と基材との接触や、エミッタ部材の表面に形成された二酸化珪素と基材との接触が防止される。したがって、エミッタ部材と基材との間に複合酸化物が形成され難くなり、当該複合酸化物の形成に起因して生じる光学構造体の崩壊が防止されるため、近赤外領域の波長の熱輻射光の放出が安定して起こる。

また、本発明の熱輻射光源の更なる特徴構成は、エミッタ部材が、少なくとも酸化ハフニウム層が介在した状態で基材上に立設されたロッド状の部材である点にある。

上記特徴構成によれば、エミッタ部材表面に形成される二酸化珪素と基材との接触を防止して光学構造体の崩壊を抑えつつ、上記と同様に、近赤外領域の波長の熱輻射光の放出が安定して起こる。

更に、本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、酸化ハフニウム層の厚みが好ましくは２〜２００ｎｍ、より好ましくは１１．２〜５０ｎｍである点にある。

ここで、本発明の熱輻射光源においては、基材として酸化マグネシウムを用いることにより、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光が放出されるのを抑えることができるが、酸化ハフニウム層の厚みが厚くなることに伴って、全熱輻射光に対する近赤外領域の波長の熱輻射光の割合（発光効率）が徐々に低下する。したがって、発光効率の低下をできる限り抑えるという観点から、酸化ハフニウム層の厚みの上限を規定することができる。

上記酸化ハフニウム層の厚みを２００ｎｍ以下にすることで、酸化ハフニウム層が存在しない場合の発光効率と比較して、３％程度の低下に抑えることができ、５０ｎｍ以下にすることで、１％程度の低下に抑えることができる。

一方、上述したように、シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材の表面には二酸化珪素が形成する可能性があり、二酸化珪素と酸化ハフニウムとは反応しないが、両者を高温下で接触させると、二酸化珪素中の珪素が酸化ハフニウム中に拡散し、酸化マグネシウムとの境界まで移動する場合がある。この場合、酸化ハフニウム層と酸化マグネシウム基材との境界に複合酸化物からなる層が形成され、この複合酸化物層の厚みが酸化ハフニウム層の厚みに対して所定の値を超えると、当該酸化ハフニウム層にクラック等が発生し、光学構造体の構造が崩壊して熱輻射光源の劣化が促進される。

したがって、酸化ハフニウム層の厚みの下限は、例えば、複合酸化物層の厚みが所定の厚みとなるまでの時間及び熱輻射光源の実用上の運転時間を考慮して規定することができ、酸化ハフニウム層の厚みが２ｎｍ以上であれば、複合酸化物層の厚みが酸化ハフニウム層の厚みと同じなるまでの時間が熱輻射光源の実用上の運転時間を超えるため好ましく、厚みが１１．２ｎｍ以上であれば、複合酸化物の厚みが酸化ハフニウム層の厚みの２０％となるまでの時間が実用上の運転時間を大きく超えるためより好ましい。

また、本発明の熱輻射光源の更なる特徴構成は、基材の厚みが０．１〜１００μｍである点にある。

ところで、酸化マグネシウムからなる基材の厚みが厚くなりすぎると、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光が増加するため、エネルギーの損失が大きくなる。

しかしながら、上記特徴構成によれば、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出を抑えることができるため、目的とする波長以外の熱輻射光が生じることによるエネルギーの損失も抑えられる。

また、本発明の熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記光学構造体が８００〜１５００Ｋに加熱される点にある。

第１実施形態に係る熱輻射光源の構成図である。異なる基板材料を用いた種々の熱輻射光源を加熱した際に発生する熱輻射光の波長と輻射率との関係を示すグラフである。異なる基板材料を用いた種々の熱輻射光源を加熱した際に発生する熱輻射光の波長と輻射強度との関係を示すグラフである。比較例の熱輻射光源を加熱した際のＳＥＭ画像である。実施例１の熱輻射光源を加熱した際のＳＥＭ画像である。実施例１の熱輻射光源を加熱した際に発生する熱輻射光の波長と輻射率との関係を示すグラフである。寸法の異なる２つの熱輻射光源を加熱した際に発生する熱輻射光の波長と輻射強度との関係を示すグラフである。別実施形態の一次元フォトニック結晶構造をもつ熱輻射光源の構成図である。別実施形態の二次元フォトニック結晶構造をもつ熱輻射光源の構成図である。別実施形態の二次元フォトニック結晶構造をもつ熱輻射光源の構成図である。別実施形態の三次元フォトニック結晶構造をもつ熱輻射光源の構成図である。

以下、図面を参照して、一実施形態に係る熱輻射光源１について説明する。尚、図１は、熱輻射光源１の構造図である。

図１に示すように、一実施形態に係る熱輻射光源１は、シリコンフォトニック結晶からなる円柱状のロッド（「エミッタ部材」に相当）３と酸化マグネシウム結晶からなる基板（「基材」に相当）４とを有する光学構造体２を備えており、ロッド３と基板４との間に酸化ハフニウム層５が形成されている。

基板４は、透明な平板状部材であって、その一方面に酸化ハフニウム層５が形成され、酸化ハフニウム層５の表面にロッド３が接合されている。

一般的な熱輻射光源においては、基板４の材料として、酸化マグネシウムのほか二酸化珪素や酸化アルミニウムを用いる場合がある。しかしながら、二酸化珪素や酸化アルミニウムを用いた場合、酸化マグネシウムを用いた場合と比較して中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出が増加する。したがって、近赤外領域（例えば、約１．８μｍ付近）の波長の熱輻射光を効率よく放出するという観点からすると、二酸化珪素や酸化アルミニウムを基板４として用いた場合、目的とする波長以外の熱輻射光の放出が増えることによるエネルギーの損失が問題となる。そこで、本実施形態に係る熱輻射光源１では、基板４の材料として酸化マグネシウムを用いるようにしている。

また、基板４は、その厚みを可能な限り薄くすることが好ましく、また、厚みが１００μｍを超えると、当該基板４由来の中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出が増加する、即ち、目的とする波長以外の熱輻射光の放出が増えるため、エネルギーの損失が問題となる。したがって、基板４は、その厚みが０．１〜１００μｍであることが好ましく、厚みが０．１〜５０μｍであるとなお良い。

酸化ハフニウム層５は、イオンアシスト蒸着やイオンビームスパッタリングなどの手法を用いて基板４上に成膜することができる。尚、酸化ハフニウム層５は、以下の表１に示すように、その厚みが厚くなることに伴って、全熱輻射光に対する近赤外領域の波長の熱輻射光の割合（発光効率）が徐々に低下するため、発光効率の低下をできる限り抑えるという観点から、酸化ハフニウム層５の厚みは、２００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

一方、ロッド３の表面には、使用環境下に存在する残留酸素とロッド３中の珪素とが反応することによって二酸化珪素が形成する可能性がある。ここで、二酸化珪素と酸化ハフニウムとは反応しないが、両者を高温下で接触させると、二酸化珪素中の珪素が酸化ハフニウム層５中に拡散し、基板４との境界まで移動する場合がある。この場合、酸化ハフニウム層５と基板４との境界に複合酸化物からなる層が形成され、この複合酸化物層の厚みが酸化ハフニウム層５の厚みに対して所定の値を超えると、当該酸化ハフニウム層５にクラック等が発生し、光学構造体２の構造が崩壊して熱輻射光源１の劣化が促進される。

よって、酸化ハフニウム層５の厚みの下限は、例えば、複合酸化物層の厚みが所定の厚みとなるまでの時間及び熱輻射光源１の実用上の運転時間（およそ１５００時間）を考慮して規定することができる。以下の表２は、酸化ハフニウム層５の厚みと、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４層（複合酸化物層）の厚みが酸化ハフニウム層５の厚みの２０％となるまでの時間と、複合酸化物層の厚みが酸化ハフニウム層５の厚みと同じになるまでの時間をまとめたものである。尚、複合酸化物層が所定の厚みとなるまでの時間は、１０００℃におけるＳｉＯ_２−ＨｆＯ_２間のＳｉの拡散定数を２．５×１０^−１８ｃｍ^２／ｓとして、フィックの第一法則を利用して算出した。表２にから分かるように、酸化ハフニウム層５の厚みが２ｎｍ以上であれば、複合酸化物層の厚みが酸化ハフニウム層５の厚みと同じなるまでの時間が熱輻射光源１の実用上の運転時間を超えるため好ましく、厚みが１１．２ｎｍ以上であれば、複合酸化物の厚みが酸化ハフニウム層５の厚みの２０％となるまでの時間が実用上の運転時間を大きく超えるためより好ましい。

したがって、酸化ハフニウム層５は、その厚みが２〜２００ｎｍであることが好ましく、４〜２００ｎｍであることがより好ましく、５〜２００ｎｍであることが更に好ましく、１１．２〜５０ｎｍであることが更に好ましい。

ロッド３は、酸化ハフニウム層５の表面から突出するように立設されたロッド状（円柱状）の部材であり、例えば、ＬＰＣＶＤ法を用いて基板４上にシリコン膜を成膜した後、電子線描画法によってシリコン膜上に所定パターンのマスクを形成し、マスク開口部を通してシリコン膜をドライエッチングすることによって作製できる。尚、ロッド３の材料となるシリコンフォトニック結晶としては、シリコンや炭化珪素を例示することができる。

この熱輻射光源１においては、例えば、微小金属構造体を基板４に配置し、当該微小金属構造体に電流を流してこれを熱エネルギーに変換し、微小金属構造体で変換された熱エネルギーが、基板４を介して熱伝導によりロッド３に供給される。そして、ロッド３は、供給された熱エネルギーを近赤外領域の波長に制御された熱輻射光に変換する。尚、基板４及びロッド３は、これらの耐久温度等を考慮すると、微小金属構造体で変換された熱エネルギーによって８００〜１５００Ｋに加熱されることが好ましい。

本例の熱輻射光源１では、基板４に酸化マグネシウムを用いていることで、二酸化珪素や酸化アルミニウムを基板４に用いた場合と比較して、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出が抑えられ、近赤外領域の波長の熱輻射光が選択的に放出されるような状態になる。したがって、近赤外領域の波長以外の熱輻射光が放出されることによるエネルギーの損失を抑えることができる。

また、熱輻射光源１においては、ロッド３と基板４との間に酸化ハフニウム層５が形成されている。そのため、光学構造体２が８００〜１５００Ｋに加熱された際に、酸化ハフニウム層５が防壁となることで、ロッド３中の珪素と基板４を構成する酸化マグネシウムとの接触、或いは、ロッド３表面に形成される二酸化珪素と基板４を構成する酸化マグネシウムとの接触が防止される。したがって、本実施形態に係る熱輻射光源１によれば、ロッド３と基板４との間における複合酸化物の形成が抑制され、この複合酸化物が形成することで生じる光学構造体２の崩壊が抑えられるため、近赤外領域の波長の熱輻射光の放出が安定して起こる。

以下、本発明に係る熱輻射光源の性能について、種々の試験結果を基に説明する。

本願発明者は、異なる基板材料を用いた複数の熱輻射光源を評価することで、近赤外領域の波長の熱輻射光を効率よく放出する熱輻射光源の基板として最適な材料を選定した。

（１）高温（８００〜１５００Ｋ）における安定性が高いこと、（２）シリコンと反応し難いこと、（３）赤外透明性が高いことという観点から熱輻射光源の基板材料の候補として二酸化珪素、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムを抽出した上で、これらを基板材料に用いた熱輻射光源について評価した。

具体的に、厚み５０μｍの二酸化珪素、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムからなる各基板上に、直径３６０ｎｍ、高さ８００ｎｍの円柱状のシリコンロッドを格子定数が７００ｎｍとなるように正方格子状に配置した光学構造体を備えた熱輻射光源を作製し、これを１４００Ｋに加熱して、その際に発生した熱輻射光を観察した。図２は、観察された熱輻射光の波長と輻射率との関係を示すグラフであるが、輻射率は、キルヒホッフの法則により光吸収率と等しいため、光吸収率で算出している。また、図３は、観察された熱輻射光の波長と輻射強度との関係を示すグラフであり、輻射強度は、基板に対して鉛直方向の熱輻射光を半球積分した値である。尚、図２及び図３において、二酸化珪素は一点鎖線、酸化アルミニウムは点線、酸化マグネシウムは実線で表した。

図２に示すように、シリコンロッドに由来する近赤外領域（特に１．８μｍよりも短波長側）の波長の熱輻射光に関しては、基板の違いによる輻射率の大きな変化は見られない。一方、中〜遠赤外領域においては、基板が二酸化珪素の場合には４μｍよりも長波長側、酸化アルミニウムの場合には５μｍよりも長波長側でそれぞれ輻射率が高くなっているのに対し、基板が酸化マグネシウムである場合には９μｍ付近から輻射率が若干強くなっている。

また、図３に示すように、１４００Ｋ付近の黒体輻射のピークは２μｍ程度であり、二酸化珪素や酸化アルミニウムを基板として用いた場合には、輻射強度が大きくなる４〜５μｍ付近において輻射強度が黒体輻射のピーク強度の３５％程度となるのに対し、酸化マグネシウムを基板として用いた場合には、輻射強度が大きくなる８μｍ付近においても輻射強度が黒体輻射のピーク強度の５％程度に抑えられている。

これらの結果から明らかなように、熱輻射光源の基板の材料として酸化マグネシウムを用いることにより、二酸化珪素や酸化アルミニウムを用いた場合と比較して、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出が抑えられ、全熱輻射光に占める近赤外領域の波長の熱輻射光の割合を高くすることができる。尚、酸化マグネシウムの厚みが１０ｍｍの時に、５０μｍの二酸化珪素や酸化アルミニウムの輻射強度と同等程度となる。

また、本願発明者は、酸化ハフニウム層の有無により熱輻射光源の性能がどのように変化するかを確認するために、酸化ハフニウム層が形成された光学構造体を備える熱輻射光源（実施例１）と酸化ハフニウム層が形成されていない光学構造体を備える熱輻射光源（比較例）を、それぞれ１ａｔｍのアルゴン雰囲気下において１４００Ｋに加熱し、発生した熱輻射光の輻射率の変化及び光学構造体の構造の変化を観察した。

尚、実施例１の光学構造体は、酸化マグネシウム基板上に酸化ハフニウム層が形成され、この酸化ハフニウム層上にシリコンロッドが形成されたものであり、イオンビームスパッタリング法により厚み３０ｎｍの酸化ハフニウム層を酸化マグネシウム基板上に形成し、更に、酸化ハフニウム層の表面にＬＰＣＶＤ法を用いてシリコン膜を形成し、シリコン膜を電子線描画法及びドライエッチング法を用いて所定パターンにエッチングして作製した。また、実施例１の光学構造体において、酸化マグネシウム基板は、その厚みが５０μｍであり、シリコンロッドは、直径３００ｎｍ、高さ５００ｎｍの円柱状であり、格子定数が６００ｎｍとなるように正方格子状に配置されている。

一方、比較例の光学構造体は、酸化マグネシウム基板上にシリコンロッドが形成されたものであり、酸化マグネシウム基板上にＬＰＣＶＤ法を用いてシリコン膜を形成し、このシリコン膜を上記と同様に所定パターンにエッチングして作製した。また、比較例の光学構造体において、酸化マグネシウム基板は、その厚みが５０μｍであり、シリコンロッドは、直径２００ｎｍ、高さ５００ｎｍの円柱状であり、格子定数が６００ｎｍとなるように正方格子状に配置されている。

比較例に係る熱輻射光源を加熱すると、１０００Ｋ付近から輻射率が急激に変化したため、その際の光学構造体の状態をＳＥＭ画像により観察したところ、図４に示すように、基板とシリコンロッドとが溶け合ったような状態となって光学構造体の構造が崩壊していることが確認できた。

これに対して、実施例１に係る熱輻射光源を加熱した場合には、輻射率の急激な変化は確認されず、光学構造体の状態をＳＥＭ画像により観察したところ、図５に示すように、光学構造体は、その構造が崩壊することなく維持されていることが確認できた。

このことから明らかなように、基板とシリコンロッドとの間にこれらを分かつように酸化ハフニウム層を形成することによって光学構造体の崩壊を防止することができる。

また、図６は、熱輻射光の波長と輻射率との関係を示したグラフであり、同図中の実線は実施例１の熱輻射光源を１４００Ｋに加熱した際の実際のスペクトルであり、点線は１４００Ｋにおける消衰係数を用いて算出した理論上のスペクトルである。同図に示すように、実際のスペクトルと理論上のスペクトルとはほぼ一致する。

更に、図７には、寸法の異なる２つの熱輻射光源（実施例２及び３）を１４００Ｋに加熱した際の熱輻射光の波長と輻射強度との関係を示したグラフである。尚、実施例２における光学構造体は、厚み５０μｍの酸化マグネシウム基板上に、厚み３０ｎｍの酸化ハフニウム層を形成し、この酸化ハフニウム層上に直径３００ｎｍ、高さ５００ｎｍのシリコンロッドを格子定数が６００ｎｍとなるように正方格子状に配置したものである。また、実施例３における光学構造体は、厚み１０μｍの酸化マグネシウム基板上に、厚み３０ｎｍの酸化ハフニウム層を形成し、この酸化ハフニウム層上に直径３６０ｎｍ、高さ８００ｎｍのシリコンロッドを格子定数が７００ｎｍとなるように正方格子状に配置したものである。図７において、実施例２は実線で表し、実施例３は点線で表した。

図７から分かるように、実施例２と実施例３とでは、近赤外領域の波長の熱輻射光及び中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光のいずれについても輻射強度が変化している。近赤外領域の波長の熱輻射光の輻射強度の違いに関しては、シリコンロッドの寸法及び配置に起因していると考えられ、シリコンロッドの寸法を大きくしたり、密度が高くなるように配置したりすることで、輻射強度を高くできると考えられる。

一方、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の輻射強度の違いに関しては、酸化マグネシウム基板の厚みに起因していると考えられ、中〜遠赤外領域の波長の熱輻射光の放出を抑え、近赤外領域の波長の熱輻射光を効率よく放出できるようにするためには、酸化マグネシウム基板の厚みを、シリコンロッドを支持するのに必要な強度を確保した上で、できる限り薄くすることが重要であると分かる。

〔別実施形態〕
〔１〕
上記実施形態では、熱輻射光源１の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、基板４上に酸化ハフニウム層５を形成し、酸化ハフニウム層５上にロッド３を形成する態様を例にとって説明したが、これに限られるものではなく、基板４と酸化ハフニウム層５との間に一又は二以上の層が介在していても良い。

〔２〕
また、上記実施形態では、エミッタ部材としてロッド３を採用した光学構造体２を例にとって説明したが、本発明における光学構造体はこれに限られるものではない。エミッタ部材と基材との間に両者を分かつように酸化ハフニウム層が形成され、当該酸化ハフニウム層が防壁となって、エミッタ部材又はエミッタ部材表面に形成される二酸化珪素と基材との接触が防止されるような光学構造体であれば、特に限定されるものではなく、エミッタ部材と基材とを一次元、二次元又は三次元的に任意に組み合わせたものが含まれる。

具体的に、構造例を図８，図９，図１０及び図１１に示す。一次元フォトニック結晶としては、図８のように、酸化マグネシウム基板４上に酸化ハフニウム層５を形成し、シリコン７と任意の誘電体６が任意の総数積層された構造が挙げられる。二次元フォトニック結晶としては、図１のように酸化マグネシウム基板４上に酸化ハフニウム層５を形成し、シリコンのロッド３が周期的に並んだ構造、図９のように酸化マグネシウム基板４上に酸化ハフニウム層５を形成し、シリコン７に空孔８が周期的に形成されたもの、図１０のように酸化マグネシウム基板４上に酸化ハフニウム層５を形成し、シリコン７がラインアンドスペース状に並んだものなどが挙げられる。三次元フォトニック結晶としては、図１１のように酸化マグネシウム基板４上に酸化ハフニウム層５を形成し、シリコン７が酸化ハフニウム層５を介して三次元状に並んだ構造が挙げられる。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材と酸化マグネシウムからなる基材とを有する光学構造体を備え、特定の波長域の熱輻射光を安定して放出することが可能な熱輻射光源に利用できる。

１熱輻射光源
２光学構造体
３ロッド
４基板
５酸化ハフニウム層
７シリコン
６誘電体
８空孔

Claims

シリコンフォトニック結晶からなるエミッタ部材と酸化マグネシウム結晶からなる基材とを有する光学構造体を備えた熱輻射光源であって、
前記エミッタ部材と前記基材との間に、前記エミッタ部材と前記基材とを分かつように酸化ハフニウム層が形成されている熱輻射光源。
前記エミッタ部材は、少なくとも前記酸化ハフニウム層が介在した状態で前記基材上に立設されたロッド状の部材である請求項１に記載の熱輻射光源。
前記酸化ハフニウム層は、その厚みが２〜２００ｎｍである請求項１又は２に記載の熱輻射光源。
前記酸化ハフニウム層は、その厚みが１１．２〜５０ｎｍである請求項１〜３の何れか一項に記載の熱輻射光源。
前記基材は、その厚みが０．１〜１００μｍである請求項１〜４の何れか一項に記載の熱輻射光源。
前記光学構造体が８００〜１５００Ｋに加熱される請求項１〜５の何れか一項に記載の熱輻射光源。