JP2023066366A - 熱輻射素子、熱輻射素子モジュール、及び熱輻射光源 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めること。【解決手段】熱輻射素子（１）は、第１主面（主面１４ｂ）及び第２主面（主面１４ａ）を有する半導体製の基板（１４）と、第１主面（主面１４ｂ）及び第２主面（主面１４ａ）の各々に、それぞれ設けられた第１導体層（導体層１５）及び第２導体層（導体層１３）と、第１導体層（導体層１５）の外縁領域に設けられた電極対と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、熱輻射素子に関する。また、本発明は、熱輻射素子を備えた熱輻射素子モジュール及び熱輻射光源にも関する。

近年、材料表面へ微細構造を形成することで、材料に依存しない光学特性を得る技術が広く研究されている。微細構造の１つにプラズモニック構造体があり、プラズモニック構造体の１つとして、プラズモニック完全吸収体が報告されている。プラズモニック完全吸収体は、プラズモニック構造体のうち特定の波長帯域で高い吸収率を有するものである。プラズモニック完全吸収体は、導体－絶縁体－導体が積層された共振器構造であり、ＭＩＭ（metal-insulator-metal）構造とも呼ばれる。

キルヒホッフの法則によれば、不透明な媒体において放射率は吸収率に等しい。そのため、ＭＩＭ構造を用いて、材料表面における放射率を制御できることも報告されている。放射率とは、実在面と黒体面との放射強度の比により表される。プランクの法則より、黒体面における熱放射が定められ、これに放射率を乗じたものが、実在面における熱放射である。なお、熱放射は、黒体やＭＩＭ構造などの物体の温度に応じて、物体の熱エネルギーが電磁波として放出される現象である。以下において、特に断りなく放射という場合、熱放射を意味する。

放射率制御に関する先行技術文献として、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１は、ＭＩＭ構造を用いた放射率の波長制御により、狭帯域な赤外線の熱放射を行う技術である。

また、特許文献２に記載されているように、ＭＩＭ構造を用いた放射率制御の技術を適用した熱放射光源が知られている。特許文献２は、表層に酸化を抑制する層を用いることで、大気中で動作させた場合に生じ得るＭＩＭ構造の酸化を抑制する技術である。

ところで、特許文献１の図１の（ｂ）及び特許文献２の図１に示されているように、ＭＩＭ構造は、基板（特許文献１においては下地）上に積層されている。以下において、基板と、基板上に積層されたＭＩＭ構造とをまとめて熱輻射素子と称する。

このような熱輻射素子を用いて熱放射を利用するためには、ＭＩＭ構造を所定の動作温度へ加熱することが必須である。動作温度が高いほど、熱放射の強度は高くなる上、短波長側の輻射を放射する。温度とは熱エネルギーの収支である。熱エネルギーの損失量に対して投入量が多くなるほど、温度が高くなる。同じ材料が同じエネルギーを保有する時、温度上昇量は体積によって異なる。物体の温度を１℃上げるのに必要な熱エネルギーは、熱容量Ｃ［Ｊ／℃］、比熱ｃ［Ｊ／ｋｇ・℃］、密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］、及び体積Ｖ［ｍ^３］として式（１）の通りに定義される。
Ｃ＝ｃ×ρ×Ｖ ・・・（１）

特開２０１８－１３６５７６号公報 特開２０２０－６４８２０号公報

上述した特許文献２には、熱輻射光源においてＭＩＭ構造を加熱する方法として、基板に通電することにより基板を自己発熱させる方法と、外部加熱部（例えばヒーター）を用いて基板及びＭＩＭ構造を外部加熱する方法とが記載されている。これらのいずれの方法においても、ＭＩＭ構造を加熱する場合の伝熱経路は、基板を経由する。このように、ＭＩＭ構造からみた場合、基板が熱源として機能する。したがって、ＭＩＭ構造の温度を上述した動作温度に到達させるためには、熱源である基板の温度を動作温度以上に保つ必要がある。

基板は、ＭＩＭ構造と比較して、厚みが厚いので必然的に体積が大きくならざるを得ない。すなわち、基板の熱容量Ｃは、ＭＩＭ構造の熱容量Ｃよりも大きくならざるを得ない。そのため、熱源である基板を用いてＭＩＭ構造の全体を加熱する従来の方法（例えば特許文献２に記載の方法）には、エネルギー効率を高める余地がある。

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、従来の熱輻射素子である特許文献２の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めることを目的とする。また、本発明の一態様は、従来よりもエネルギー効率が高い熱輻射素子を備えた熱輻射素子モジュール及び熱輻射光源を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱輻射素子は、第１主面及び第２主面を有する半導体製の基板と、前記第１主面及び前記第２主面の各々に、それぞれ設けられた第１導体層及び第２導体層と、前記第１導体層の外縁領域に設けられた電極対と、を備えている。

また、上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱輻射素子モジュールは、本発明の一態様に係る熱輻射素子と、前記熱輻射素子を収容するキャビティ、及び、前記電極対に電力を供給する電力端子が設けられた筐体と、を備えている。本熱輻射素子モジュールにおいては、前記キャビティの内部において、前記基板の少なくとも一部は、前記キャビティに対して接合部材を用いて固定されている、構成が採用されている。

また、上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱輻射光源は、本発明の一態様に係る熱輻射素子モジュールを備えている。

本発明の一態様によれば、従来の熱輻射素子である特許文献２の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めることができる。また、本発明の一態様によれば、従来よりもエネルギー効率が高い熱輻射素子を備えた熱輻射素子モジュール及び熱輻射光源を提供することができる。

上図は、本発明の一実施形態に係る熱輻射素子モジュールの平面図であり、下図は、同じ熱輻射素子モジュールの断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱輻射素子の断面図である。 図２に示した熱輻射素子を、電極対の側から見た場合に得られる平面図である。 図２に示した熱輻射素子が備えているプラズモニック完全吸収体の一部を拡大した拡大斜視図である。 図２に示した熱輻射素子の第１の変形例の断面図である。 図２に示した熱輻射素子の第２の変形例の断面図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の一実施形態に係る熱輻射素子モジュールＭについて、図１～図４を参照して説明する。図１の上図は、熱輻射素子モジュールＭの平面図であり、図１の下図は、熱輻射素子モジュールＭの断面図である。熱輻射素子モジュールＭの平面図は、筐体２０に設けられたキャビティＣの開口部ＡＰ_Ｃを、光学窓２３の主面の法線方向から平面視した場合に得られたものである。熱輻射素子モジュールＭの断面図は、光学窓２３の主面の法線方向に沿い、且つ、熱輻射素子１を含む断面において得られたものである。図２は、熱輻射素子１の断面図であり、図１における熱輻射素子１の部分を拡大したものである。なお、図２においては、各構成要素の厚み方向を拡大して図示している。図３は、熱輻射素子１を、電極対１６の側から見た場合に得られる平面図である。図４は、熱輻射素子１が備えているプラズモニック完全吸収体１０の一部を拡大した拡大斜視図である。

〔熱輻射素子モジュールの概要〕
熱輻射素子モジュールＭは、図１の上図及び下図に示すように、熱輻射素子１と、筐体２０と、電極パッド２１，２２と、光学窓２３と、接合部材２４と、電力端子２５，２６と、を備えている。

ここで、本発明の一実施形態でもある熱輻射素子１は、プラズモニック完全吸収体１０と、基板１４と、導体層１５と、電極対１６と、を備えている。また、プラズモニック完全吸収体１０は、導体層１３と、絶縁体層１２と、導体層１１と、を備えている。

熱輻射素子モジュールＭは、電力端子２５，２６を用いてプラズモニック完全吸収体１０の一部を構成する導体層１３、基板１４、及び導体層１５に通電することによって、熱放射に起因する電磁波（具体的には、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れか）を放出する。このように、熱輻射素子モジュールＭは、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れかの電磁波を出射する熱輻射光源として機能する。すなわち、熱輻射素子モジュールＭを用いた熱輻射光源も本発明の範疇に含まれる。なお、熱輻射光源は、熱輻射素子モジュールＭに加えて、電力端子２５，２６を介して熱輻射素子モジュールＭに電力を供給する電源モジュールを更に備えていてもよい。

熱輻射素子モジュールＭは、電力端子２５，２６を用いて、室温近傍の温度領域では、導体層１５の面内方向に電流を流すように、また、動作温度近傍の温度領域では、導体層１３，１５の面内方向に電流を流すように構成されている。

導体層１３，１５の面内方向に流れる電流は、ジュール熱を発生させる。したがって、熱輻射素子モジュールＭにおいては、その熱エネルギーを用いて熱輻射素子１を所定の動作温度まで加熱することによって、上述した電磁波を放出する。熱輻射素子１の動作温度は、プラズモニック完全吸収体１０における共晶反応が進まない温度範囲内において適宜定めることができる。プラズモニック完全吸収体１０が放出する光は、動作温度を高めれば高めるほどその強度が高まる。本実施形態で説明する熱輻射素子１においては、動作温度として３００℃以上１２００℃以下を想定している。

＜基板＞
基板１４は、一対の主面１４ａ，１４ｂを有する半導体製の板状部材である。図２に示した状態では、主面１４ａが上側に位置し、主面１４ｂが下側に位置する。基板１４の形状は、適宜定めることができるが、長方形状又は正方形状であることが好ましい。本実施形態においては、基板１４の形状として正方形を採用している。

本実施形態においては、基板１４を構成する材料として、半導体の一例であるシリコンであって、抵抗率が１Ωｍであるシリコンを採用している。ただし、基板１４を構成する材料は、温度の上昇とともに抵抗率が低下する半導体であればよく、シリコンに限定されない。また、半導体の抵抗率は、熱輻射素子１の構成（例えば、導体層１３、基板１４、及び導体層１５の厚み）や想定されている動作温度などに応じて適宜定めることができる。本実施形態において、基板１４を構成する半導体の抵抗率は、１×１０^－２Ωｍ以上２Ωｍ以下であることが好ましい。また、基板１４を構成する半導体の抵抗率は、規格（日本工業規格や米国材料試験協会により定められた規格など）に準拠した抵抗測定方法を用いて測定されていることが好ましい。このように、抵抗率が保証されている半導体製の基板１４を用いることにより、製造された熱輻射素子１において生じ得る温度特性のばらつきを抑制することができる。また、基板１４を構成する半導体にドープされているドーパントは、ｎ型及びｐ型の何れであってもよい。

基板１４は、室温においては、大きな抵抗率を有している。シリコンの一例である真性シリコンの場合、室温における抵抗率は、１×１０^３Ωｍ程度である。したがって、後述する導体層１５に通電し始めた時点では、基板１４には電流が流れず、導体層１５のみを電流が流れる。

基板１４の抵抗率は、上述したように、温度の上昇とともに低下する。真性シリコンの場合、３００℃における抵抗率は、１×１０^－１Ωｍを下回り、４００℃における抵抗率は、１×１０^－２Ωｍを下回り、５００℃における抵抗率は、１×１０^－３Ωｍ程度になる。したがって、基板１４の温度が上昇すればするほど基板１４の抵抗率は低下するため、電流は、導体層１５のみならず導体層１３も流れるようになる。

このように、後述する電極１６１と電極１６２との間には、導体層１３及び導体層１５からなる並列の電流路が形成されるため、電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値は、導体層１３の面内抵抗値と、導体層１５の面内抵抗値と、基板１４の面直抵抗値（導体層１３と導体層１５との間の抵抗値）と、を合成することにより定められる。熱輻射素子１においては、導体層１３、基板１４、及び導体層１５の厚みを適宜調整することにより、熱輻射素子１の動作温度における電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値における変化を抑制することができる。したがって、熱輻射素子１においては、電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値をモニターしやすい任意の抵抗値に調整することができる。

また、熱輻射素子１においては、電極１６１と電極１６２との間に生じ得る抵抗値をモニターすることにより、プラズモニック完全吸収体１０の温度を把握することができる。プラズモニック完全吸収体１０が放射する電磁波のスペクトルは、プラズモニック完全吸収体１０の温度に依存しているので、熱輻射素子１においては、電極１６１と電極１６２との間に生じ得る抵抗値が所定の値になるように電極対１６間に供給する電流を制御することによって、所定のスペクトルを得ることができる。

以上のように、熱輻射素子１においては、電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値を精度よくモニターできるので、プラズモニック完全吸収体１０の温度制御を容易にできる。また、熱輻射素子１においては、プラズモニック完全吸収体１０の温度をモニターするための温度計を別個に設ける必要がないため、熱輻射素子１を小型化及び低コスト化することができる。

なお、基板１４の厚みｔ_Ｓ（図２参照）は、１００μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。本実施形態では、厚みｔ_Ｓとして２００μｍを採用している。

主面１４ａには、導体層１３、絶縁体層１２、及び導体層１１がこの順番で積層されたプラズモニック完全吸収体１０が設けられている。プラズモニック完全吸収体１０については、後述する。一方、主面１４ｂには、導体層１５及び電極対１６がこの順番で積層されている。導体層１５及び電極対１６については、後述する。主面１４ｂ及び主面１４ａは、それぞれ、第１主面及び第２主面の一例である。

＜第１導体層＞
図２及び図３に示すように、導体層１５は、主面１４ｂの全域を覆うように設けられている。本願発明の一態様において、第１導体層は、電極対が積層されている導体層を指す。したがって、導体層１５は、第１導体層の一例である。導体層１５は、後述する電極対１６を用いて電流を面内方向に流されることによって、プラズモニック完全吸収体１０及び基板１４を加熱するヒーターとして機能する。したがって、導体層１５を構成する導体は、銅やアルミニウムや金などと比較して高い抵抗率を有するものが好ましい。また、半導体は様々な金属と共晶合金化しやすい特性を持つ。例えば、融点が３４２２℃のタングステンは６５０℃以下でシリコンと共晶反応を示し、抵抗率が変化する。したがって、導体層１５を構成する導体は、半導体と共晶反応する温度の高いものが好ましい。導体層１５を構成する好ましい導体の例としては、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、及びモリブデン（Ｍｏ）が挙げられる。

＜電極対＞
図２及び図３に示すように、電極対１６を構成する電極１６１，１６２は、導体層１５の主面のうち基板１４と逆側の主面（図２においては下側の主面）である主面１５ａに、設けられている。

導体層１５の全域に電流を流すために、電極１６１，１６２は、導体層１５の外縁領域に設けられている。導体層１５の外縁領域とは、導体層１５を形成する４辺に沿った環状の領域である。より具体的には、電極１６１，１６２は、基板１４と同様に正方形である導体層１５の一対の対辺（図３においては左側及び右側に位置する一対の対辺）に沿って設けられている。電極１６１，１６２は、帯状あるいは長方形の導体パターンである。電極１６１は、図３において左側に位置する辺に沿って設けられており、電極１６２は、図３において右側に位置する辺に沿って設けられている。

本実施形態では、電極１６１，１６２として、主面１５ａの上に、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）をこの順番で積層したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層膜を用いている。各層の厚みは、適宜定めることができるが、本実施形態では、Ｔｉ及びＰｔの厚みを３０ｎｍとし、Ａｕの厚みを５００ｎｍとしている。

電極１６１，１６２の各々に、それぞれ極性が異なる配線を接続し電力を供給することによって、電極１６１，１６２の何れか一方から他方に向かって電流が流れる。すなわち、導体層１５には、主面１５ａの面内方向に電流が流れる。したがって、導体層１５の主面１５ａに設けられた電極１６１，１６２は、導体層１５の主面の面内方向に電流を流す電極の一例である。

なお、本実施形態においては、電極１６１，１６２として、上述したように多層膜の一例であるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層膜を用いている。ここで、Ｔｉ／Ｐｔの各層は、下地層として機能し、Ａｕの層は、主たる導電層として機能する。下地層のＴｉ層は、導体層１５に対する電極１６１，１６２の密着性を高め、導体層１５と電極１６１，１６２との間に生じ得る接触抵抗を低減する。また、下地層のＰｔ層は、Ａｕ層とＴｉ層との間で生じ得る拡散を防止あるいは抑制し、電極の抵抗変化を抑制する。ただし、下地層の構成は、Ｔｉ／Ｐｔに限定されない。下地層の構成は、単層膜であってもよし、３層以上の多層膜であってもよい。また、主たる導体層として機能するＡｕの代わりに異なる金属を用いることもでき、例えばＡｇや、Ａｇを主成分とした合金などを用いることができる。また、電極１６１，１６２においては、Ｔｉ／Ｐｔの下地層を省略し、Ａｕの単層膜を採用することもできる。電極１６１，１６２の各々の構成は、上述した例に限定されず、導電率の高さや、反応性の低さや、融点の高さなどを考慮して適宜定めることができる。

＜プラズモニック完全吸収体＞
熱輻射素子１が備えているプラズモニック完全吸収体１０は、図４に示すように、導体層１１と、絶縁体層１２と、導体層１３とを備えている。導体層１１は、第３の導体層の一例であり、導体層１３は、第２導体層の一例である。基板１４の主面１４ａ上には、導体層１３、絶縁体層１２、及び導体層１１がこの順番で積層されている。

（第２導体膜）
導体層１３は、基板１４の一方の主面（図２においては上側の主面）である主面１４ａ上に、主面１４ａの全域を覆うように形成された導体製の膜である。導体層１３は、第２導体層の一例である。

本実施形態においては、導体層１３を構成する導体として窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を採用している。ただし、導体層１３を構成する導体は、ＨｆＮに限定されるものではなく、金属的な導電特性を有する材料であればよい。使用時に高温になることが想定される基材の表面上にプラズモニック完全吸収体１０を形成する場合、導体層１３を構成する材料は、ＨｆＮのように融点が高い材料であることが好ましい。ＨｆＮの典型的な融点は、３３３０℃である。加えて、導体層１３を構成する材料は、ＨｆＮのように半導体と共晶反応する温度の高いものが好ましい。ＨｆＮは、１２００℃以下の温度領域では、シリコンと共晶反応を示さない。

なお、主面１４ａのうち導体層１３を形成する領域は、主面１４ａの全部であってもよく、主面１４ａの一部であってもよく、適宜定めることができる。本実施形態では、主面１４ａの全面に導体層１３を形成している。

本実施形態においては、導体層１３の厚みｔ_１３（図２参照）として１４０ｎｍを採用している。ただし、厚みｔ_１３は、１４０ｎｍに限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内において適宜定めることができる。なお、厚みｔ_１３は、特許請求の範囲に記載の厚みｔ１の一例である。

（絶縁体膜）
絶縁体層１２は、導体層１３の主面のうち基板１４と逆側の主面（図２においては上側の主面）である主面１３ａに、少なくとも主面１３ａの一部を覆うように形成された絶縁体製の膜である。本実施形態において、絶縁体層１２は、図２に示すように、主面１３ａの全域を覆うように設けられている。ただし、主面１３ａのうち絶縁体層１２を設ける領域は、主面１３ａの全域であってもよく、主面１３ａの一部であってもよく、適宜定めることができる。

なお、本実施形態においては、厚みが均一なベタ膜である絶縁体層１２が形成されている。ただし、絶縁体層１２は、複数の導体パターン１１１が形成される領域にのみ形成されていてもよい。すなわち、絶縁体層１２は、導体層１１と同様に、周期的に配置された複数の導体パターンであって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターンにより構成されていてもよい。

本実施形態においては、絶縁体層１２を構成する材料としてＳｉＯ_２を採用している。ただし、絶縁体層１２を構成する材料は、絶縁体であればよく、ＳｉＯ_２に限定されるものではない。このような材料の例としては、絶縁性の酸化物が挙げられる。なお、使用時に高温になることが想定される基板１４の主面１４ａ上にプラズモニック完全吸収体１０を形成する場合、絶縁体層１２を構成する材料は、ＳｉＯ_２、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物の何れかであることが好ましい。

本実施形態においては、絶縁体層１２の厚みｔ_１２（図２参照）として１８０ｎｍを採用している。ただし、厚みｔ_１２は、１８０ｎｍに限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内において適宜定めることができる。

（第３導体層）
導体層１１は、絶縁体層１２の主面のうち絶縁体層１２と逆側の主面（図２においては上側の主面）である主面１２ａの全域に亘って形成されている。ただし、主面１２ａのうち導体層１１を設ける領域は、主面１２ａの全域であってもよく、主面１２ａの一部であってもよく、適宜定めることができる。導体層１１は、第３導体層の一例である。このように、上述した絶縁体層１２と、導体層１１とは、第２導体層の一例である導体層１３の主面１３ａに、この順番で積層されている。

導体層１１は、各々が円形状である複数（図４においては９個）の導体パターン１１１からなる。ただし、各導体パターン１１１の形状は、円形状に限定されるものではなく、正多角形状であってもよい。当該正多角形状の好ましい例としては、正六角形状が挙げられる。

なお、符号１１１は、複数の導体パターン１１１のうち１つの導体パターン１１１のみに付している。図４に示すように、複数の導体パターン１１１は、主面１２ａ上に、２次元的に、且つ、周期的に配置されている。本実施形態においては、図４に示すように、導体パターン１１１の周期的な２次元配置として正方配置を採用している。ただし、この周期的な２次元配置は、正方配置に限定されるものではなく、例えば、六方配置であってもよい。

本実施形態においては、導体層１１の各導体パターン１１１を構成する導体として窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を採用している。ただし、各導体パターン１１１を構成する導体は、ＨｆＮに限定されるものではなく、金属的な導電特性を有する材料であればよい。この点について、各導体パターン１１１を構成する導体は、導体層１３を構成する導体と同じである。

また、本実施形態においては、導体層１１の厚みｔ_１１（図２参照、すなわち各導体パターン１１１の厚み）として４０ｎｍを採用している。ただし、厚みｔ_１１は、４０ｎｍに限定されるものではなく、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内において適宜定めることができる。なお、厚みｔ_１１は、特許請求の範囲に記載の厚みｔ３の一例である。

また、導体層１３の厚みｔ_１３、及び、導体層１１の厚みｔ_１１は、ｔ_１３＞１．５×ｔ_１１の関係を満たす、ことが好ましい。厚みｔ_１１は、第３導体層の厚みｔ３の一例であり、厚みｔ_１３は、第１導体層の厚みｔ１の一例である。

＜筐体＞
筐体２０は、直方体状のブロックである。本実施形態において、筐体２０を構成する材料は、セラミックの一例であるアルミナである。ただし、筐体２０を構成するセラミックは、アルミナに限定されるものではなく、適宜選択することができる。また、筐体２０を構成する材料は、セラミックに限定されるものではなく、金属や合金であってもよいし、樹脂などの有機化合物であってもよい。ただし、筐体２０を構成する材料は、熱輻射素子１の動作温度を１５０℃以上に設定する場合、金属、合金、及びセラミックの何れかであることが好ましい。

筐体２０の一対の主面のうち、図１に示した状態において上側に位置する主面を主面２０ａと称し、図１に示した状態において下側に位置する主面を主面２０ｂと称する。主面２０ａには、キャビティＣが形成されている。キャビティＣの深さは、筐体２０の厚みよりも薄い。したがって、キャビティＣは、主面２０ｂまでは貫通していない。

キャビティＣは、２つのサブキャビティＣ１，Ｃ２により構成されている。

サブキャビティＣ１は、主面２０ａに近い領域（すなわち浅い領域）に形成されている。サブキャビティＣ２は、サブキャビティＣ１と比較して、主面２０ａから遠い領域（すなわち深い領域）に形成されている。サブキャビティＣ１の開口部ＡＰ_Ｃは、平面視した場合に、熱輻射素子１を包含することができるように、そのサイズを定められている。なお、図１の上図には符号ＡＰ_Ｃを明記しているが、図１の下図ではＡＰ_Ｃの図示を省略している。

一方、サブキャビティＣ２の開口部であって、サブキャビティＣ１の底面に形成された開口部は、平面視した場合に、熱輻射素子１により包含されるように、そのサイズを定められている。このように構成されたキャビティＣは、階段状に形成されている。

キャビティＣのうちサブキャビティＣ１には、熱輻射素子１が収容されている。また、サブキャビティＣ１の底壁には、電極１６１，１６２と一部分で接する電極パッド２１及び２２が設けられている。熱輻射素子１において、基板１４の一部を構成する電極１６１，１６２の各々は、それぞれ、サブキャビティＣ１の底壁に設けられた電極パッド２１，２２に対して、導電性を有する接合部材を用いて固定されている。すなわち、電極１６１，１６２の各々は、それぞれ、電極パッド２１，２２と導通している。

なお、電極パッド２１，２２は、電極１６１，１６２に電力を提供すると同時に、熱輻射素子１において生じる熱エネルギーを筐体２０側へ伝導させてしまう。この熱伝導に伴う筐体２０の加熱を抑制するために、電極パッド２１，２２と電極１６１，１６２との接触面積は、狭い方が好ましい。一方、この接触面積を狭くしすぎてしまうと、電極パッド２１，２２と電極１６１，１６２との接触抵抗が大きくなりなりすぎてしまう。この接触面積は、熱輻射素子１から筐体２０への熱伝導の大きさと、電極パッド２１，２２と電極１６１，１６２との接触抵抗の大きさとに鑑みて、適宜設定することができる。

本実施形態では、接合部材として焼結型接合材の銀（Ａｇ）ペーストを採用している。焼結型の銀ペーストは、２００℃程度まで加熱することにより、対象物同士を無加圧状態で接合することができる。本実施形態で用いている銀ペーストは、焼結された場合に、熱輻射素子１の動作温度（例えば３００℃以上９００℃以下の何れかの温度）に耐える耐熱性をもっているので、接合部材として好ましい。なお、図１の下図においては、接合部材の図示を省略している。

このように、熱輻射素子１は動作温度が高いので、エネルギー効率を高めるためには、熱輻射素子１から筐体２０へ熱が伝導することにより散逸する熱エネルギーを抑制することが好ましい。熱輻射素子モジュールＭにおいては、サブキャビティＣ１に加えてサブキャビティＣ２が筐体２０に形成されていることによって、熱輻射素子１と筐体２０との間に生じ得る熱伝導のパスを限定することができる。

なお、本実施形態においては、電極１６１，１６２の各々の一部に、それぞれ、電極パッド２１，２２が接触するように構成されている。電極１６１，１６２と電極パッド２１，２２との接触面積を限定することによって、電極パッド２１，２２と電極１６１，１６２との間に熱伝導のパスを限定することができる。

図１の下図に示すように、筐体２０には、電力端子２５，２６が設けられている。電力端子２５は、筐体２０の外部から内部へ引き込まれている。そのうえで、電力端子２５の先端は、電極パッド２１に導通している。同様に、電力端子２６は、筐体２０の外部から内部へ引き込まれている。そのうえで、電力端子２６の先端は、電極パッド２２に導通している。なお、電力端子２５，２６の各々を筐体２０の内部に引き込んでいる部分は、密閉性を保つように封止されている。

図１の上図及び下図に示すように、開口部ＡＰ_Ｃは、光学窓２３により覆われている。光学窓２３を構成する材料は、透光性を有し、且つ、筐体２０が達する温度（例えば２７０℃以下の何れかの温度）に耐える耐熱性をもっていることが好ましく、本実施形態では、ホウケイ酸ガラス製の板状部材を採用している。

光学窓２３は、接合部材２４を用いて筐体２０の主面２０ａに接合されている。本実施形態では、接合部材２４として金（Ａｕ）錫（Ｓｎ）はんだを用いている。すなわち、開口部ＡＰ_Ｃは、光学窓２３により封止されている。

また、熱輻射素子モジュールＭにおいては、キャビティＣの内部の圧力がキャビティＣの外部の圧力（例えば大気圧）よりも低くなるように構成されている。この構成は、例えば、大気圧よりも減圧された減圧環境下においてキャビティＣを封止することによって実現できる。キャビティＣの内部の圧力は、限定されないが、１×１０^３Ｐａ以下であることが好ましく、１×１０^１Ｐａ以下であることがより好ましい。キャビティＣの内部の圧力が低ければ低いほど、キャビティＣの断熱性を高めることができる。

〔まとめ〕
本発明の一態様である熱輻射素子１は、第１主面の一例である主面１４ｂ及び第２主面の一例である主面１４ａを有する半導体製（本実施形態ではシリコン製）の基板１４と、第１主面（主面１４ｂ）及び第２主面（主面１４ａ）の各々に、それぞれ設けられた第１導体層（導体層１５）及び第２導体層（導体層１３）と、第１導体層（導体層１５）の外縁領域に設けられた電極対１６と、を備えている。

この構成によれば、プラズモニック完全吸収体１０が動作温度に到達している状態においては、基板１４の抵抗率が減少しているので、導体層１５に加えて導体層１３を熱源として用いる。このように、プラズモニック完全吸収体１０の一部を構成する導体層１３を直接熱源として利用することができるので、熱輻射素子１は、従来の熱輻射素子である特許文献２の熱輻射素子と比較して、エネルギー効率を高めることができる。

また、熱輻射素子１においては、電極１６１と電極１６２との間に生じ得る抵抗値を、導体層１３及び導体層１５の各々の面内抵抗値に加えて、基板１４の面直抵抗値（導体層１３と導体層１５との間の抵抗値）を用いて合成することになる。したがって、電極１６１と電極１６２との間に生じ得る抵抗値を、導体層１３及び導体層１５の各々の面内抵抗値と関係なく、モニターしやすい任意の抵抗値に設定することができる。

したがって、熱輻射素子１においては、電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値を精度よくモニターできるので、プラズモニック完全吸収体１０の温度制御を容易にできる。

また、熱輻射素子１においては、プラズモニック完全吸収体１０の温度をモニターするための温度計を別個に設ける必要がないため、熱輻射素子１を小型化及び低コスト化することができる。

また、熱輻射素子１は、第２導体層（導体層１３）の表面（本実施形態においては、導体層１３の主面１３ａ）に、順番に積層された絶縁体層１２及び第３導体層（導体層１１）であって、第２導体層（導体層１３）と共に（本実施形態においては導体層１３と共に）、プラズモニック完全吸収体１０を構成する絶縁体層１２及び第３導体層（導体層１１）と、を更に備えている。

この構成によれば、プラズモニック完全吸収体の各パラメータを適宜設定することにより、熱輻射素子１が放射する電磁波のスペクトルを制御することができる。

なお、図５を参照して後述するように、熱輻射素子１の一変形例は、第１導体層（導体層１５）の表面である主面１５ａに、順番に積層された絶縁体層１２Ａ及び第３導体層（導体層１１Ａ）であって、第１導体層（導体層１５）と共にプラズモニック完全吸収体１０Ａを構成する絶縁体層１２Ａ及び第３導体層（導体層１１Ａ）と、を更に備えていてもよい。すなわち、プラズモニック完全吸収体は、第２導体層（導体層１３）側に設けられていてもよいし、第１導体層（導体層１５）側に設けられていてもよい。

また、熱輻射素子１においては、第３導体層（導体層１１）は、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターン１１１であって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターン１１１からなる、構成が採用されている。

この構成によれば、複数の導体パターン１１１の大きさ及び周期的な配置を調整することによって、プラズモニック完全吸収体１０から放出される光の波長域を調整することができる。

また、熱輻射素子１においては、第１導体層（導体層１５）及び第２導体層（導体層１３）のうち、絶縁体層１２及び第３導体層（導体層１１）とともにプラズモニック完全吸収体１０を構成する導体層（導体層１３）の厚みｔ１（ｔ_１３）、及び、第３導体層（導体層１１）の厚みｔ３（ｔ_１１）は、ｔ１＞１．５×ｔ３（ｔ_１３＞１．５×ｔ_１１）の関係を満たす、構成が採用されている。

この構成によれば、導体層１３の抵抗値を適度に低くすることができるため、導体層１３に大きな電流を流しやすくなる。したがって、導体層１３において生じる熱エネルギーを大きくすることができる。

また、熱輻射素子１においては、第１導体層（導体層１５）及び第２導体層（導体層１３）のうち、絶縁体層１２及び第３導体層（導体層１１）とともにプラズモニック完全吸収体１０を構成する導体層（本実施形態においては導体層１３）と、第３導体層（導体層１１）とは、ＨｆＮにより構成されている、構成が採用されている。

ＨｆＮは、融点が高いことに加え、半導体との共晶反応が進みにくいことで知られている。そのため、この構成によれば、基板１４を構成する半導体との間において進み得る共晶反応を抑制することができる。したがって、熱輻射素子１の動作温度を高めることができる。

熱輻射素子１においては、絶縁体層１２は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＡｌＮのうち少なくとも何れかにより構成されている、構成が採用されている。

この構成によれば、高い絶縁性を有する絶縁体層１２を容易に形成することができる。

また、熱輻射素子１においては、基板１４の厚みｔ_Ｓは、１００μｍ以上１ｍｍ以下である、構成が採用されている。

この構成によれば、電極１６１と電極１６２との間に生じ得る抵抗値をモニターしやすい任意の抵抗値に設定することができる。

また、熱輻射素子１においては、基板１４は、シリコン製である、構成が採用されている。

この構成によれば、基板１４のコストを抑制することができる。また、ドーパントのドープ量と基板の厚さとを適宜設定することによって、基板１４の面直抵抗値を容易に調整することができる。

本発明の一態様である熱輻射素子モジュールＭは、熱輻射素子１と、熱輻射素子１を収容するキャビティＣ、及び、電極対である電極１６１，１６２に電力を供給する電力端子２５，２６が設けられた筐体２０と、を備えている。熱輻射素子モジュールＭにおいては、キャビティＣの内部において、基板１４の少なくとも一部は、キャビティＣに対して接合部材を用いて固定されている、構成が採用されている。具体的には、電極１６１，１６２の各々は、それぞれ、電極パッド２１，２２の各々に対して接合部材（焼結型の銀ペースト）を用いて固定されている。

このように構成された熱輻射素子モジュールＭは、熱輻射素子１と同様の効果を奏する。また、熱輻射素子モジュールＭを構成する熱輻射素子は、熱輻射素子１に限定されず、図５に図示する熱輻射素子１Ａであってもよいし、図６に図示する熱輻射素子１Ｂであってもよい。熱輻射素子１Ａ，１Ｂについては、後述する。

熱輻射素子モジュールＭにおいては、キャビティＣの開口部ＡＰ_Ｃを平面視した場合（図１の上図参照）に、開口部ＡＰ_Ｃは、熱輻射素子１を包含しており、開口部ＡＰ_Ｃは、透光性を有する光学窓２３により封止されており、キャビティＣの内部の圧力は、キャビティＣの外部の圧力よりも低い、構成が採用されている。

この構成によれば、キャビティＣの内部の圧力が外部の圧力以上である場合と比較して、キャビティＣの断熱性を高めることができるので、導体層１３により生じた熱エネルギーがキャビティＣの外部へ散逸するのを低減することができる。したがって、熱輻射素子モジュールＭ全体としてもエネルギー効率を高めることができる。

また、熱輻射素子モジュールＭにおいては、導体層１３及び導体層１５が生成する熱エネルギーを用いて熱輻射素子１を所定の動作温度まで加熱することによって、熱放射に起因する電磁波（具体的には、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れか）を放出する。このように、熱輻射素子モジュールＭは、可視光、近赤外光、中赤外光、及び遠赤外光のうち少なくとも何れかの電磁波を出射する熱輻射光源として機能する。すなわち、熱輻射素子モジュールＭを備えた熱輻射光源も本発明の範疇に含まれる。

なお、ここでは、図１及び図２に図示した熱輻射素子１を用いて本願発明の一態様が奏する効果を説明した。ただし、上述した熱輻射素子１の効果は、後述する熱輻射素子１Ａ，１Ｂにおいても同様に得られる。

〔第１の変形例〕
熱輻射素子１の第１の変形例である熱輻射素子１Ａについて、図５を参照して説明する。図５は、熱輻射素子１における図２に対応する断面図であって、熱輻射素子１Ａの断面図である。

図２に示す熱輻射素子１において、プラズモニック完全吸収体１０は、導体層１３及び導体層１５のうち電極対１６が設けられていない側の導体層である導体層１３の側に設けられている。すなわち、導体層１３は、絶縁体層１２及び導体層１１と共にプラズモニック完全吸収体１０を構成する。

一方、本変形例の熱輻射素子１Ａにおいて、プラズモニック完全吸収体１０Ａは、導体層１３及び導体層１５のうち電極対１６Ａが設けられている側の導体層である導体層１５の側に設けられている。すなわち、導体層１５は、絶縁体層１２Ａ及び導体層１１Ａと共にプラズモニック完全吸収体１０を構成する。なお、プラズモニック完全吸収体１０Ａを構成する絶縁体層１２Ａ及び導体層１１Ａは、プラズモニック完全吸収体１０Ａを構成する絶縁体層１２及び導体層１１と同一に構成されている。したがって、本変形例では、その説明を省略する。

以上のように、本発明の一態様において、基板１４の主面１４ａ及び主面１４ｂの各々に設けられた導体層のうち、電極対１６が設けられた導体層を第１導体層とし、電極対１６が設けられていない導体層を第２導体層として、プラズモニック完全吸収体は、第１導体層側（主面１４ｂ側）に設けられていてもよいし、第２導体層側（主面１４ａ側）に設けられていてもよい。

〔第２の変形例〕
熱輻射素子１の第２の変形例である熱輻射素子１Ｂについて、図６を参照して説明する。図６は、熱輻射素子１における図２に対応する断面図であって、熱輻射素子１Ｂの断面図である。

図２に示す熱輻射素子１においては、基板１４の一方の主面（図２においては主面１４ａ）側に設けるメタサーフェス構造の一例としてプラズモニック完全吸収体を採用している。

一方、本変形例の熱輻射素子１Ｂにおいては、基板１４Ｂの一方の主面（図６においては主面１４Ｂａ）側に設けるメタサーフェス構造の一例として、ナノスケールの凹凸構造を採用している。メタサーフェス構造としてナノスケールの凹凸構造を採用することにより、プラズモニック完全吸収体を採用する場合よりも放射する電磁波の帯域を広帯域化することができる。

なお、熱輻射素子１Ｂにおいて、ナノスケールの凹凸構造は、主面１４Ｂｂに形成されていてもよい。

本発明の一実施例である熱輻射素子１について以下に説明する。本実施例では、熱輻射素子として、図２に示した熱輻射素子１の構成を採用し、各構成要素を以下の通り設計した。

基板１４として、シリコン製であり、厚みｔ_Ｓが２００μｍであり、１辺の長さが５ｍｍの正方形である板状部材を採用した。このシリコンの室温における抵抗率は、１Ωｍであった。

導体層１５として、厚みｔ_１５が１４０ｎｍであるＨｆＮ膜を採用した。

導体層１３として、厚みｔ_１３が１４０ｎｍであるＨｆＮ膜を採用した。

絶縁体層１２として、厚みｔ_１２が１８０ｎｍであるＳｉＯ_２膜を採用した。

導体層１１として、厚みｔ_１１が４０ｎｍであるＨｆＮ膜を採用した。また、導体層１１を構成する複数の導体パターン１１１の形状として、直径が４００ｎｍである円形状を採用した。また、複数の導体パターン１１１の周期的な配置として、周期が６５０ｎｍである正方配置を採用した。

電極１６１，１６２の各々として、厚みが５００ｎｍであるＡｕ膜を採用した。また、電極１６１，１６２の各々を平面視した場合の形状として、幅が５００μｍであり、長さが５ｍｍである長方形を採用した。

本実施例で採用したＨｆＮの電気抵抗率は、約１×１０^－３（Ω・ｍｍ）であり、本実施例で採用したＳｉＯ_２の電気抵抗率は、約１×１０^１５（Ω・ｍｍ）である。また、本実施例の熱輻射素子１Ａにおいて、プラズモニック完全吸収体１０Ａの厚みは、合計で３４０ｎｍである。

本実施例においては、熱輻射素子１の動作温度の一例として３５０℃以上５００℃以下を採用し、電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値を調べた。ここでは、電極１６１と電極１６２との間に印加する電圧を５Ｖに固定し、電極１６１と電極１６２との間に流れる電流を調べた。その結果、電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値は、３５０℃、４００℃、４５０℃、及び５００℃の各々において、それぞれ、６．３Ω、５．３Ω、４．６Ω、及び４．３Ωであった。

このように、熱輻射素子１においては、温度の上昇に伴い、導体層１３及び導体層１５を構成するＨｆＮの抵抗率が微増するものの、基板１４を構成するシリコンの抵抗率が減少する。そのため、温度の上昇に伴い、電極１６１と電極１６２との間に生じる抵抗値は減少していった。

また、本実施例では、熱輻射素子１が放射する電磁波のスペクトルを測定し、１．０μｍ以上２．０μｍ以下の近赤外光を安定して放出することを確認した。すなわち、本実施例の熱輻射素子１は、動作温度として３５０℃以上５００℃以下を採用した場合に、１．０μｍ以上２．０μｍ以下の近赤外光を安定して放出する熱輻射光源として好適に利用できることが分かった。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

Ｍ 熱輻射素子モジュール
１ 熱輻射素子
１０ プラズモニック完全吸収体
１１ 導体層（第３導体層）
１１１ 導体パターン
１２ 絶縁体層
１３ 導体層（第２導体層）
１４ 基板（半導体製の基板）
１４ａ 主面（第２主面）
１４ｂ 主面（第１主面）
１５ 導体層（第１導体層）
１６ 電極対
２０ 筐体
Ｃ キャビティ
ＡＰ_Ｃ 開口部
２１，２２ 電極パッド
２３ 光学窓
２４ 接合部材
２５，２６ 電力端子

Claims (12)

1. 第１主面及び第２主面を有する半導体製の基板と、
   前記第１主面及び前記第２主面の各々に、それぞれ設けられた第１導体層及び第２導体層と、
   前記第１導体層の外縁領域に設けられた電極対と、
   を備えている熱輻射素子。
2. 前記第１導体層又は前記第２導体層の表面に、順番に積層された絶縁体層及び第３導体層であって、前記第１導体層又は前記第２導体層と共にプラズモニック完全吸収体を構成する絶縁体層及び第３導体層を更に備えている、
   請求項１に記載の熱輻射素子。
3. 前記第３導体層は、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターンであって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターンからなる、
   請求項２に記載の熱輻射素子。
4. 前記第１導体層及び前記第２導体層のうち、前記絶縁体層及び第３導体層とともに前記プラズモニック完全吸収体を構成する導体層の厚みｔ１、及び、前記第３導体層の厚みｔ３は、ｔ１＞１．５×ｔ３の関係を満たす、
   請求項３に記載の熱輻射素子。
5. 前記第１導体層及び前記第２導体層のうち、前記絶縁体層及び前記第３導体層とともに前記プラズモニック完全吸収体を構成する導体層と、前記第３導体層とは、ＨｆＮにより構成されている、
   請求項２～４の何れか１項に記載の熱輻射素子。
6. 前記絶縁体層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＡｌＮのうち少なくとも何れかにより構成されている、
   請求項２～４の何れか１項に記載の熱輻射素子。
7. 前記基板の厚みは、１００μｍ以上１ｍｍ以下である、
   請求項１～４の何れか１項に記載の熱輻射素子。
8. 前記基板は、シリコン製である、
   請求項１～４の何れか１項に記載の熱輻射素子。
9. 前記基板は、シリコン製であり、
   前記第１主面又は前記第２主面には、ナノスケールの凹凸構造が設けられている、
   請求項１に記載の熱輻射素子。
10. 請求項１～４の何れか１項に記載の熱輻射素子と、
    前記熱輻射素子を収容するキャビティ、及び、前記電極対に電力を供給する電力端子が設けられた筐体と、を備え、
    前記キャビティの内部において、前記基板の少なくとも一部は、前記キャビティに対して接合部材を用いて固定されている、
    熱輻射素子モジュール。
11. 前記キャビティの開口部を平面視した場合に、前記開口部は、前記熱輻射素子を包含しており、
    前記開口部は、透光性を有する光学窓により封止されており、
    前記キャビティの内部の圧力は、当該キャビティの外部の圧力よりも低い、
    請求項１０に記載の熱輻射素子モジュール。
12. 請求項１０に記載の熱輻射素子モジュールを備えている、
    熱輻射光源。

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