JP6828920B2

JP6828920B2 - 加熱式光源

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Publication number: JP6828920B2
Application number: JP2019509427A
Authority: JP
Inventors: 喜明西島; 伸長沼
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: WO2018182013A1; JPWO2018182013A1

Description

本開示は、加熱式光源に関する。

物体、例えば、黒体の熱輻射では幅広い波長帯域の光線（エネルギー線と呼んでも良い）が放射される。特許文献１は、ヒータからの放射光線を波長フィルタにより選択的に取り出す場合、波長フィルタの製造が煩雑であり、また出力エネルギーも低いという課題を述べている（特許文献１の段落００１９参照）。なお、当業者が理解するように、物体の熱輻射の一部をフィルタリングすることは、フィルタを透過する特定波長以外の波長の生成のために消費された熱エネルギーの損失を意味する。特許文献１は、そのような課題を述べるに続いて、構造が簡単であり、広い分野に応用することができる、特定波長の赤外線を放出する赤外光源にニーズがあると述べる（特許文献１の段落００２０参照）。特許文献１は、その請求項１に記載のように、周期Ｐ、幅Ｔ、深さＤ、及び角度θといったパラメーターにより特定される格子を活用した加熱式光源を開示する。特許文献２は、キャビティー共鳴に関し、アスペクト比を大きくするために深穴の加工を目指す技術を開示する。特許文献２の場合、深穴の形成のために厚い第１金属層が要求される。

特許第４２１４１７８号公報特開２０１４−５３０８８号公報

より簡単な製造技術の利用を促進することができ、またピーク波長以外の波長成分（換言すれば、バックグラウンドの波長成分）が低減された加熱式光源を提供することに意義がある。

本開示の一態様に係る加熱式光源は、熱源から伝達する熱に応じて加熱され、表面プラズモン共鳴に基づいて可視光帯域よりも長波長の特定波長で増強された光線を放射する放射部を備え、
前記放射部は、
開口が２次元状に周期的に配列された金属層、及び／又は、金属島部又は金属粒子の２次元配列を含む金属構造層と、
前記金属構造層よりも熱源側に配される誘電体層と、
前記金属構造層との間で前記誘電体層を挟むように設けられるベース金属層を含み、
前記ベース金属層により熱源側からの放射の少なくとも一部が遮断される。

幾つかの実施形態においては、前記ベース金属層の厚みが、２００ｎｍ以上である。

幾つかの実施形態においては、前記誘電体層の厚みが、１００ｎｍ以下である。

幾つかの実施形態においては、前記金属構造層の厚みが、１００ｎｍ以下である。

幾つかの実施形態においては、前記金属構造層及び前記ベース金属層が、銀、金、銅、クロム、アルミニウム、及び鉄から成る群から選択される金属を含む。

幾つかの実施形態においては、前記誘電体層と前記金属構造層の間に配される第１金属中間層を更に備える。

幾つかの実施形態においては、前記第１金属中間層の厚みが、５ｎｍ以下である。

幾つかの実施形態においては、前記ベース金属層と前記誘電体層の間に配される第２金属中間層を更に備える。

幾つかの実施形態においては、前記第２金属中間層の厚みが、５ｎｍ以下である。

幾つかの実施形態においては、前記第１又は第２金属中間層が、クロム、チタン、及びニッケルから成る群から選択される金属を含む。

幾つかの実施形態においては、前記放射部が積層され、前記放射部よりも熱源側に配される支持基板を更に備える。

幾つかの実施形態においては、前記支持基板は、シリコン基板、サファイア基板、及びガラス基板から成る群から選択される基板を含む。

幾つかの実施形態においては、通電に応じて発熱するシート状の加熱部を有する熱源を更に備える。

幾つかの実施形態においては、動作温度が３００℃以上である。

幾つかの実施形態においては、前記特定波長が２μｍよりも長い。

本開示の一態様に係る加熱式光源の製造方法は、
熱源から伝達する熱に応じて加熱され、表面プラズモン共鳴に基づいて可視光帯域よりも長波長の特定波長で増強された光線を放射する放射部を支持基板上に積層する工程と、
前記支持基板を熱源に対して接続する工程を含み、
前記放射部を支持基板上に積層する工程は、
前記支持基板上にベース金属層を積層する工程と、
前記ベース金属層上に誘電体層を積層する工程と、
前記誘電体層上に金属構造層を積層する工程にして、前記金属構造層は、開口が２次元状に周期的に配列された金属層、及び／又は、金属島部又は金属粒子の２次元配列を含む、工程を含む。

幾つかの実施形態においては、前記誘電体層上に第１金属中間層を積層する工程を更に備え、
前記第１金属中間層上に前記金属構造層が積層される。

幾つかの実施形態においては、前記ベース金属層上に第２金属中間層を積層する工程を更に備え、
前記第２金属中間層上に前記誘電体層が積層される。

本開示の一態様によれば、より簡単な製造技術の利用を促進することができ、またピーク波長以外の波長成分（換言すれば、バックグラウンドの波長成分）が低減された加熱式光源を提供することができる。

本開示の一態様に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がメタルホールアレイの場合を示す。本開示の一態様に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がナノディスクアレイの場合を示す。本開示の一態様に係る加熱式光源のメタルホールアレイの上面を示すＳＥＭ写真である。本開示の一態様に係る加熱式光源のナノディスクアレイの上面を示すＳＥＭ写真である。ベース金属層の厚みとその透過率の関係を示すチャートである。ベース金属層の厚みと金属構造層の吸収率の関係を示すチャートである。図１に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。横軸が波長（μｍ）を示し、縦軸が放射率（％）を示す。図２に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。第１参考例に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がメタルホールアレイの場合を示す。第２参考例に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がナノディスクアレイの場合を示す。図９に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。図１０に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。透過反射特性を示す参考図であり、上側がメタルホールアレイの金属構造層の単体の透過及び反射スペクトル波形を示し、下側が、メタルホールアレイの金属構造層／誘電体層／ベース金属層の積層体の透過及び反射スペクトル波形を示す。横軸が波長（μｍ）を示し、左の第１の縦軸が反射率（％）を示し、右の第２の縦軸が透過率（％）を示す。本開示の一態様に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、追加的にキャップ層が設けられた場合を示す。シリコン基板上にメタルホールアレイを積層した素子を加熱して観察した透過スペクトル波形を示す図である。横軸が波長（μｍ）を示し、縦軸が透過率（％）を示す。シリコン基板上にメタルホールアレイを積層し、更に、キャップ層として二酸化シリコンを積層した素子を加熱して観察した透過スペクトル波形を示す図である。

以下、図１乃至図１６を参照しつつ、本発明の非限定の実施形態例について説明する。開示の１以上の実施形態例及び実施形態例に包含される各特徴は、個々に独立したものではない。当業者は、過剰説明を要せず、各実施形態例及び／又は各特徴を組み合わせることができる。また、当業者は、この組み合わせによる相乗効果も理解可能である。実施形態例間の重複説明は、原則的に省略する。参照図面は、発明の記述を主たる目的とするものであり、作図の便宜のために簡略化されている場合がある。

以下に記述において、ある加熱式光源及び／又は加熱式光源の製造方法に関して記述される各特徴が、他の特徴との組み合わせとして理解される他、他の特徴とは独立した個別の特徴として理解される。個別の特徴の組み合わせの全てを記述することは当業者には冗長である他なく、省略される。個別の特徴は、「幾つかの実施形態」、「幾つかの場合」、「幾つかの例」といった表現により明示される。個別の特徴は、例えば、図面に開示された加熱式光源及び／又は加熱式光源の製造方法にのみ有効であるものではなく、他の様々な加熱式光源及び／又は加熱式光源の製造方法にも通用する普遍的な特徴として理解される。

図１は、本開示の一態様に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がメタルホールアレイの場合を示す。図２は、本開示の一態様に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がナノディスクアレイの場合を示す。図３は、本開示の一態様に係る加熱式光源のメタルホールアレイの上面を示すＳＥＭ写真である。図４は、本開示の一態様に係る加熱式光源のナノディスクアレイの上面を示すＳＥＭ写真である。

図１及び図２に示す加熱式光源５は、熱源１０から伝達する熱に応じて加熱され、表面プラズモン共鳴に基づいて可視光帯域よりも長波長の特定波長で増強された光線を放射する放射部７を有する。なお、可視光帯域は、例えば、３６０ｎｍ〜８３０ｎｍである。放射部７は、少なくとも、金属構造層１６、誘電体層１４、及びベース金属層１２を含む。放射部７は、オプションとして、第１金属中間層１５と、第２金属中間層１３を更に含む。加熱式光源５は、オプションとして、放射部７が積層される支持基板１１と、支持基板１１に対して熱的に接続され、また支持基板１１が貼り合わされる加熱部を有する熱源１０を含む。

図示例を含む幾つかの場合、熱源１０の加熱部上に支持基板１１が積層され、支持基板１１上にベース金属層１２が積層され、ベース金属層１２上に第２金属中間層１３が積層され、第２金属中間層１３上に誘電体層１４が積層され、誘電体層１４上に第１金属中間層１５が積層され、第１金属中間層１５上に金属構造層１６が積層される。金属構造層１６は、幾つかの場合、加熱式光源５において熱源１０から最も離れて配置されるが、必ずしもこの限りではない。ここで述べた積層順番が、幾つかの層の省略又は追加又は統合に応じて変更され得る。

加熱式光源５は、様々な分野において活用が見込まれ、例えば、二酸化炭素といったガス検出の分野において光源として用いられ得る。加熱式光源５は、他の様々な光学素子、例えば、レンズ、光学フィルタ、偏光ビームスプリッタ、反射ミラーと組み合わされて用いられ得る。加熱式光源５は、様々な種類の受光素子と組み合わされて用いられ得る。加熱式光源５が、適切にパッケージされ、小型な光源として様々な機器に実装され得る。

金属構造層１６は、開口が２次元状に周期的に配列された金属層、及び／又は、金属島部又は金属粒子の２次元配列を含む又はから構成される。図１及び図３の図示例を含む幾つかの場合、金属構造層１６が、開口ＯＰ１６が２次元状に周期的に配列された金属層を含む又はから構成される。このような開口ＯＰ１６が形成された金属層が、メタルホールアレイと呼ばれる。図２及び図４の図示例を含む幾つかの場合、金属構造層１６が、金属島部ＬＤ１６の２次元配列を含む又はから構成される。なお、幾つかの場合、金属島部ＬＤ１６は、金属粒子により置換される。金属島部又は金属粒子の２次元配列が、ナノディスクアレイと呼ばれる。同一の金属構造層１６が、メタルホールアレイとナノディスクアレイの両方を有する形態も想定される。一つの放射光ピークのために一定の開口径の開口ＯＰ１６が形成され、又は複数の放射光ピークのために複数の開口径の開口ＯＰ１６が形成され得る。一つの放射光ピークのために一定幅又は径の金属島部又は粒子が設けられ、又は複数の放射光ピークのために複数の幅又は径の金属島部又は粒子が設けられ得る。

放射部７は、幾つかの場合、金属構造層１６よりも熱源１０側に配される誘電体層１４を更に含む。放射部７は、幾つかの場合、金属構造層１６との間で誘電体層１４を挟むように設けられるベース金属層１２を含む。幾つかの実施形態においては、ベース金属層１２により熱源１０側からの放射の少なくとも一部が遮断される。これにより、ピーク波長以外の波長成分（換言すれば、バックグラウンドの波長成分）が低減され、放射光線のピークがより明確になる。

幾つかの実施形態においては、金属構造層１６及びベース金属層１２が、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び鉄（Ｆｅ）から成る群から選択される金属を含む。この場合、表面プラズモン共鳴がより確実に生じる。誘電体層１４は、幾つかの場合、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）である。ベース金属層１２、誘電体層１４、及び金属構造層１６は、蒸着、ＣＶＤ、ＰＶＤ、コーティング、フォトリソグラフィーといった様々な半導体製造技術により形成され得る。

金属構造層１６のパターニングは、半導体製造技術、特にはフォトリソグラフィーを活用して行われ得る。例えば、第１金属中間層１５上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィーによりレジスト層に２次元状の島部の配列を形成する。次に、第１金属中間層１５上に金属構造層１６の金属を真空蒸着し、第１金属中間層１５上及びレジスト層の島部上に金属構造層１６の金属を堆積させる。続いて、リフトオフによりレジスト層の島部、及びこの島部上の金属構造層１６も除去する。このようにして開口ＯＰ１６が２次元状に周期的に配列された金属層、すなわち、メタルホールアレイが構築される。

幾つかの場合、第１金属中間層１５にも２次元状に周期的に配列された開口が形成される。第１金属中間層１５の使用量が削減される。例えば、次のような製造方法が採用される。誘電体層１４上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィーによりレジスト層に２次元状の島部の配列を形成する。次に、誘電体層１４上に第１金属中間層１５の金属を真空蒸着し、続いて、金属構造層１６の金属を真空蒸着する。誘電体層１４上及びレジスト層の島部上に第１金属中間層１５及び金属構造層１６の金属が堆積する。続いて、リフトオフによりレジスト層の島部を除去し、レジスト層の島部上の第１金属中間層１５と金属構造層１６も除去する。このようにして誘電体層１４上にパターニングされた第１金属中間層１５及び金属構造層１６が積層される。メタルホールアレイの開口は、金属構造層１６及び第１金属中間層１５を貫通する貫通孔であり得る。

ナノディスクアレイに関しては、例えば、次の製造方法が採用される。第１金属中間層１５上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィーによりレジスト層に２次元状の開口の配列を形成する。次に、金属構造層１６の金属を真空蒸着し、レジスト層上及びレジスト層の開口に金属が堆積する。続いて、レジスト層及びレジスト層上の金属層を除去し、これにより、金属島部ＬＤ１６の２次元配列、すなわち、ナノディスクアレイが構築される。

幾つかの場合、第１金属中間層１５は、金属島部の２次元配列から構成される。第１金属中間層１５の使用量が削減される。例えば、次のような製造方法が採用される。誘電体層１４上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィーによりレジスト層に２次元状の開口の配列を形成する。次に、第１金属中間層１５の金属を真空蒸着し、続いて金属構造層１６の金属を真空蒸着する。レジスト層上及びレジスト層の開口に第１金属中間層１５及び金属構造層１６の金属が堆積する。続いて、レジスト層及びレジスト層上の金属層を除去し、これにより、誘電体層１４上にパターニングされた第１金属中間層１５及び金属構造層１６が積層される。誘電体層１４上には、第１金属中間層１５の金属層の島部と金属構造層１６の金属層の島部の積層体から成る島部が２次元状に配列される。

幾つかの場合、誘電体層１４は、開口が２次元状に周期的に配列された誘電体層、又は誘電体島部の２次元配列を含む又はから構成される。金属島部の代替又は追加として金属粒子が用いられる場合、金属粒子は、第１金属中間層１５上に形成された絶縁層の穴部に配置され得る。絶縁層の穴部は、エッチングといった半導体プロセス技術により高精度に形成され得る。金属粒子を含む溶液のスピンコート及び溶媒の揮発といった追加のプロセスを経て、金属粒子の２次元配置が達成され得る。

加熱式光源５の動作に関しては、熱源１０から放射部７に熱が伝達し、放射部７が加熱される。すなわち、放射部７のベース金属層１２、誘電体層１４、及び金属構造層１６が加熱される。金属構造層１６においては、その開口ＯＰ１６の周期性、及び／又は、その金属島部ＬＤ１６の幅又は粒子径に依存して特定波長の放射を増強する表面プラズモン共鳴が生じる。誘電体層１４を介して積層された金属構造層１６とベース金属層１２における（誘電体と金属の接触に起因する）高められた電場のために表面プラズモン共鳴が増強され、結果として、特定波長におけるピークが高められる。熱源１０側から放射される光線の少なくとも一部がベース金属層１２により遮断される。ベース金属層１２が表面プラズモン共鳴の増強に加えて、熱源１０側から到来する光線の透過を抑制するシールド層として機能する。このようにして、ピーク波長以外の波長成分が低減された加熱式光源５が提供される。なお、当業者が理解するように、上述の加熱式光源は、既存の製造技術、例えば、半導体プロセス技術に依拠して製造でき、より簡単な製造技術の利用を促進するものである。

ベース金属層１２によって熱源１０側から到来する光線の透過が遮断されるため、加熱式光源５から放射される光線は、放射部７、特には金属構造層１６から放射された光線を主に含むことが予期される。なお、ベース金属層１２によって熱源１０側から到来する光線の透過が完全に遮断されないことが実証されている。ベース金属層１２によって熱源１０側から到来する光線の全てが遮断されないことが許容される。

幾つかの場合、金属構造層１６とベース金属層１２の間隔は、１０ｎｍ以上、及び／又は、１００ｎｍ以下である。

幾つかの場合、ベース金属層１２の厚みが、２００ｎｍ以上である。熱源１０側から到来する光線を十分に遮断することができる。ベース金属層１２の厚みは、４００ｎｍ以下であり得る。幾つかの場合、ベース金属層１２が、パターニングされていないベタ層であり得る。ベタ層は、一定厚の非パターニング層を意味する。幾つかの場合、ベース金属層１２は、金属箔又は金属基板であり得る。

ベース金属層１２の光線の透過率は、ベース金属層１２の厚みの増加に応じて指数関数的に減少することがシミュレーションにより分かっている。ベース金属層１２の厚みが２００ｎｍ以上の時、ベース金属層１２の透過光に関して、光学濃度（ＯＤ（Optical Density）値）＞８を満足し、熱源１０側から到来する光線がベース金属層１２を透過することが十分に阻止される。

図５は、ベース金属層の厚みとその透過率の関係を示すチャートである。このチャートは、ＦＤＴＤ計算シミュレーションにより求められる。ＦＤＴＤ計算シミュレーションは、ベース金属層の厚みに関する透過率を求める計算モデルであり、プラズモン共鳴が生じる３〜５μｍの波長を用いた。なお、ベース金属層は、金（Ａｕ）層である。図５の縦軸（Arb. unit）について、１．０が１００％に対応する。図５に示すように、ベース金属層１２の厚みの増加に応じてベース金属層１２の光線の透過率が指数関数的に減少する。なお、図５の縦軸が対数軸（Arb. unit）であり、従って、図５において直線関数上又はその近傍に計算値がプロットされる。図５の破線Ｌ６は、ＯＤ＝８に対応する透過率を示す。図５は、ベース金属層１２の厚みが０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の計算結果を示すが、ベース金属層１２の厚みが４００ｎｍ以上の範囲でも同様の計算結果が得られることが予測される。ベース金属層１２の厚みの上限値は、例えば、４００ｎｍである。ベース金属層１２の厚みが４００ｎｍ以下の場合、ベース金属層１２の成膜時間が短縮され、及び／又は、放射部７の厚みの増加が回避される。

幾つかの実施形態では、ベース金属層１２の厚みは、２００ｎｍ以上である。ベース金属層１２の厚みが２００ｎｍ以上の場合、金属構造層１６による光線の吸収率が高められることがシミュレーションにより分かっている。金属構造層１６による光線の吸収率が高められることは、金属構造層１６の放射効率（換言すれば、表面プラズモン共鳴に基づいて可視光帯域よりも長波長の特定波長で増強された光線の生成効率）が高められることを意味する。

図６は、ベース金属層の厚みと金属構造層の吸収率の関係を示すチャートである。このチャートは、ＦＤＴＤ計算シミュレーションにより求められる。ＦＤＴＤ計算シミュレーションは、ベース金属層の厚みに関する吸収率を求める計算モデルであり、図３の右下のメタルホールアレイに関して行ったものである。シミュレーションに用いた波長は、約３．７μｍである。なお、ベース金属層は、金（Ａｕ）層である。図６の縦軸（Arb. unit）について、１．０が１００％に対応する。図６に示すように、ベース金属層１２の厚みの増加に応じて金属構造層１６による光線の吸収率が変化する。端的には、ベース金属層１２の厚みが２００ｎｍ以下の範囲では、ベース金属層１２の厚みの増加に応じて金属構造層１６の吸収率が増加する。ベース金属層１２の厚みが２００ｎｍ以上の範囲では、金属構造層１６における光線の吸収率が飽和して一定になる。ベース金属層１２の厚みが２００ｎｍ以上の時、金属構造層１６による光線の吸収率が高く、従って、金属構造層１６の放射効率が高くなる。ベース金属層１２の厚みの上限値は、例えば、４００ｎｍである。ベース金属層１２の厚みが４００ｎｍ以下の場合、ベース金属層１２の成膜時間が短縮され、及び／又は、放射部７の厚みの増加が回避される。

幾つかの場合、誘電体層１４の厚みが、１０ｎｍ以上、及び／又は、１００ｎｍ以下である。また、金属構造層１６の厚みが、１００ｎｍ以下である。

上述したように、幾つかの場合、加熱式光源５（及び／又は放射部７）は、誘電体層１４と金属構造層１６の間に配される第１金属中間層１５を更に備える。また、幾つかの場合、加熱式光源５（及び／又は放射部７）は、ベース金属層１２と誘電体層１４の間に配される第２金属中間層１３を更に備える。各金属中間層は、金属構造層１６又はベース金属層１２の金属と誘電体層１４の密着性を確保するために設けられ得る。代替的又は追加的に、各金属中間層は、金属構造層１６又はベース金属層１２の金属と誘電体層１４の合金化を抑制するために設けられ得る。各金属中間層が別の目的のために設けられることも予期される。

各金属中間層は、幾つかの場合、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、及びニッケル（Ｎｉ）から成る群から選択される金属を含む。各金属中間層は、蒸着、ＣＶＤ、ＰＶＤ、コーティングといった様々な薄膜形成技術を活用して成膜され得る。各金属中間層は、ベタ層である必要はなく、上述したように金属構造層１６と同様に又は異なるようにパターニングされ得る。

幾つかの場合、第１金属中間層１５の厚みが５ｎｍ以下である。幾つかの場合、第２金属中間層１３の厚みが５ｎｍ以下である。金属中間層１３，１５がこの程度の厚みの場合、表面プラズモン共鳴への影響が十分に低減される。

幾つかの場合、ベース金属層１２が放射部７の支持基板として機能し得る。代替的又は追加的に、放射部７が支持基板１１上に積層される。幾つかの場合、加熱式光源５は、放射部７が積層され、放射部７よりも熱源１０側に配される支持基板１１を有する。幾つかの場合、支持基板１１は、シリコン基板、サファイア基板、及びガラス基板から成る群から選択される基板を含む。支持基板１１上において放射部７の積層構造を構築することは、既存の確立した半導体プロセス技術に即したものであるが、これ以外の製造方法が採用される場合もあろう。支持基板１１は、熱源１０により加熱され、広い帯域において放射し得る。上述のベース金属層１２による光線の透過の遮断により、加熱式光源５の出力として得られる放射スペクトル波形に支持基板１１の放射が影響することが抑制される。

幾つかの場合、加熱式光源５は、通電に応じて発熱するシート状の加熱部を有する熱源１０を有する。熱源１０は、例えば、セラミックヒーターであり得る。支持基板１１とセラミックヒーターの加熱部を貼り合わせることにより加熱式光源５が製造され得る。支持基板１１と熱源の加熱部が、グリースを介して密着し、良好な熱伝達が確保され得る。熱源１０は、半導体加熱素子であり得る。半導体加熱素子は、高抵抗性の薄膜を有し、通電により薄膜が広帯域の放射線を放射する。薄膜から放射される放射線が、空気又は真空といった媒体を伝播し、支持基板１１を介して又は介することなく放射部７に到達する。放射部７は、放射線を吸収し、加熱される。

図７は、図１に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。図８は、図２に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。図７及び図８は、加熱式光源５を３００℃まで加熱し、加熱式光源５が定常状態となった時の加熱式光源５の放射光線をフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて観測したものである。なお、より正確には、図７は、第１金属中間層１５に開口がパターニングされた図１の加熱式光源の放射スペクトル波形を示す。また、より正確には、図８は、第１金属中間層１５が島状にパターニングされた図２の加熱式光源の放射スペクトル波形を示す。

図７においては、１．３２μｍ、１．４０μｍ、１．４８μｍ、１．５６μｍの各周期で開口径０．６６、０．７、０．７４、０．７８μｍの開口ＯＰ１６が形成された金属構造層１６を備える加熱式光源５の放射スペクトル波形を示す。幾つかの場合、開口ＯＰ１６の開口径は、開口ＯＰ１６の周期の１／２である。周期をパラメーターとして放射スペクトル波形におけるピークの波長が変化することが見て分かる。このピーク波長が、本明細書に記述の特定波長であり、又は上述の特定波長を含むものと理解される。

図８においては、１．３２μｍ、１．４０μｍ、１．４８μｍ、１．５６μｍの各周期で直径０．６６、０．７、０．７４、０．７８μｍの金属島部ＬＤ１６が形成された金属構造層１６を備える加熱式光源５の放射スペクトル波形を示す。幾つかの場合、金属島部ＬＤ１６の直径は、金属島部ＬＤ１６の周期の１／２である。周期をパラメーターとして放射スペクトル波形におけるピークの波長が変化することが見て分かる。

図７及び図８において共通して見られる点として、ピークが属する波長帯以外の波長の光線の強度が低いことである。すなわち、矢印ＢＧで示すバックグラウンド成分の放射が抑制されている。上述した、ベース金属層１２が表面プラズモン共鳴の増強に加えて、熱源１０側から到来する光線の透過を抑制するシールド層として機能することの結果であるものと考えられる。図７及び図８の比較から分かるように、金属構造層１６がメタルホールアレイとして構成される場合のほうが、金属構造層１６がナノディスクアレイとして構成される場合よりもピークの急峻性が高い。理論的な裏付けは行っていないが、実験により予期しない結果が得られた。

なお、図７及び図８の対象の加熱式光源５においては、ベース金属層１２としては２００ｎｍ厚のＡｕ層が用いられ、各金属中間層１３，１５として５ｎｍ厚のＣｒ層が用いられ、誘電体層１４として１０ｎｍ厚のＳｉＯ₂層が用いられ、金属構造層１６として５０ｎｍ厚のＡｕ層が用いられた。しかしながら、ベース金属層１２、金属中間層１３，１５、誘電体層１４、金属構造層１６として、別の元素又は材料が用いられ、また、同様の結果が得られることが当然に予期される。図７及び図８或いは本段落で記述の特定の実施形態に関する記述が、何らの限定として用いられるべきものではないことに留意されたい。

上述したバックグラウンドの抑制の効果の顕著性を示すべく、図９乃至図１２を参照して参考例について記述する。図９は、第１参考例に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がメタルホールアレイの場合を示す。図１０は、第２参考例に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、金属構造層がナノディスクアレイの場合を示す。図１１は、図９に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。図１２は、図１０に示した非限定の一例の加熱式光源の非限定の一例の放射スペクトル波形を示す図である。

図９及び図１０の加熱式光源３においては、熱源２０上にシリコン基板２１が積層され、シリコン基板２１上にＣｒ層（金属中間層）が積層され、Ｃｒ層上にＡｕ層のメタルホールアレイ２３又はナノディスクアレイ２４が積層される。図９のメタルホールアレイは、図１のメタルホールアレイと同様、開口が周期的に形成され、プラズモン共鳴により特定波長の放射を増強する。図１０のナノディスクアレイは、図２のナノディスクアレイと同様、金属島部が２次元状に配列され、プラズモン共鳴により特定波長の放射を増強する。

図１１及び図１２で示すバックグラウンド成分は、図７及び図８で示すバックグラウンド成分よりも大きく、図１２では、ピークの形成自体に影響を与えている。

なお、図９及び図１０におけるＣｒ層は、５ｎｍ厚であり、メタルホールアレイ２３又はナノディスクアレイ２４のＡｕ層が５０ｎｍ厚みである。

図１３は、放射部の透過及び反射特性を示す参考図であり、上側がメタルホールアレイの金属構造層の単体の透過及び反射スペクトル波形を示し、下側が、メタルホールアレイの金属構造層／誘電体層／ベース金属層の積層体の透過及び反射スペクトル波形を示す。波長可変光源と、広帯域受光素子を用いて、透過及び反射特性を評価した。

上側のスペクトル波形は、メタルホールアレイ単体の透過性及び反射性を示す。下側のスペクトル波形は、上記したベース金属層１２、誘電体層１４、及び金属構造層１６の組み合わせを含む放射部７の透過性及び反射性を示す。上側及び下側スペクトル波形において、金属構造層１６の開口ＯＰ１６の周期性による吸収ピークの存在が反射スペクトルから理解できる。下側スペクトル波形から、ベース金属層１２によってほぼ光の透過が遮断されることが分かる。このように加熱式光源５の反射及び透過スペクトル波形から上記した放射部７の構造の存在が裏付けられ得る。

幾つかの場合、加熱式光源５の動作温度が３００℃以上である。加熱式光源５の動作温度を高めることによりピーク強度をより高めることができる。幾つかの場合、特定波長が２μｍよりも長い。中赤外線は、二酸化炭素といった様々な種類のガス検出又はガス分析に有用であり、他の代替の安価な光源の提供が未だに実現できていない。例えば、カスケードレーザー素子は高価である。

図１４は、本開示の一態様に係る加熱式光源の概略的な断面構造を示す図であり、追加的にキャップ層が設けられた場合を示す。図１４に示すように、金属構造層１６上にキャップ層１７が積層され得る。キャップ層１７は、二酸化シリコン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニア、酸化アルミ、セラミックといった少なくとも中赤外線に対して十分な透過性を持つ誘電体であり得る。キャップ層１７によって加熱式光源５の耐熱性が著しく高められる。

図１５は、シリコン基板上にメタルホールアレイを積層した素子を加熱し、その透過スペクトルを観察したものであり、５００℃において素子が破壊した。図１６は、シリコン基板上にメタルホールアレイを積層し、更に、キャップ層として二酸化シリコンを積層した素子を加熱し、その透過スペクトルを観察したものであり、７００℃までの耐熱性を確認できた。このような実験結果から、図１４のようなメタルホールアレイ上にキャップ層１７を形成すること、或いは、ナノディスクアレイ上にキャップ層１７を形成することにより加熱式光源５の耐熱性が高められることが確かめられた。なお、透過のピーク性が維持されることから、放射のピーク性も維持されることが理解される。キャップ層１７上に屈折率分布型レンズ層を設けることも予期される。

幾つかの場合、キャップ層１７上に追加の１以上のメタルホールアレイの金属構造層が設けられる。

加熱式光源５の製造は、様々な方法により行われ得る。例えば、次の製造方法が採用可能であろう。
加熱式光源５の製造方法は、
熱源から伝達する熱に応じて加熱され、表面プラズモン共鳴に基づいて可視光帯域よりも長波長の特定波長で増強された光線を放射する放射部を支持基板上に積層する工程と、
支持基板を熱源に対して接続する工程を含む。
放射部を支持基板上に積層する工程は、
支持基板上にベース金属層を積層する工程と、
ベース金属層上に誘電体層を積層する工程と、
誘電体層上に金属構造層を積層する工程を含む。なお、金属構造層は、開口が２次元状に周期的に配列された金属層、及び／又は、金属島部又は金属粒子の２次元配列を含む。

幾つかの場合、加熱式光源５の製造方法は、誘電体層上に第１金属中間層を積層する工程を更に備え、第１金属中間層上に前記金属構造層が積層される。

幾つかの場合、加熱式光源５の製造方法は、ベース金属層上に第２金属中間層を積層する工程を更に備え、前記第２金属中間層上に前記誘電体層が積層される。

加熱式光源５に関して上述した個々の特徴が、加熱式光源５の製造方法にも同様に通用する。

上述の教示を踏まえると、当業者をすれば、各実施形態に対して様々な変更を加えることができる。請求の範囲に盛り込まれた符号は、参考のためであり、請求の範囲を限定解釈する目的で参照されるべきものではない。

５加熱式光源
７放射部
１０熱源
１１支持基板
１２ベース金属層
１３第２金属中間層
１４誘電体層
１５第１金属中間層
１６金属構造層
１７キャップ層

Claims

熱源から伝達する熱に応じて加熱され、表面プラズモン共鳴に基づいて可視光帯域よりも長波長の特定波長で増強された光線を放射する放射部を備え、
前記放射部は、
開口が２次元状に周期的に配列された金属層、及び／又は、金属島部又は金属粒子の２次元配列を含む金属構造層と、
前記金属構造層よりも熱源側に配される誘電体層と、
前記金属構造層との間で前記誘電体層を挟むように設けられるベース金属層を含み、
前記ベース金属層により熱源側からの放射の少なくとも一部が遮断される、加熱式光源。
前記ベース金属層の厚みが、２００ｎｍ以上である、請求項１に記載の加熱式光源。
前記誘電体層の厚みが、１００ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載の加熱式光源。
前記金属構造層の厚みが、１００ｎｍ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の加熱式光源。
前記金属構造層及び前記ベース金属層が、銀、金、銅、クロム、アルミニウム、及び鉄から成る群から選択される金属を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の加熱式光源。
前記誘電体層と前記金属構造層の間に配される第１金属中間層を更に備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の加熱式光源。
前記第１金属中間層の厚みが、５ｎｍ以下である、請求項６に記載の加熱式光源。
前記ベース金属層と前記誘電体層の間に配される第２金属中間層を更に備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の加熱式光源。
前記第２金属中間層の厚みが、５ｎｍ以下である、請求項８に記載の加熱式光源。
前記第１金属中間層が、クロム、チタン、及びニッケルから成る群から選択される金属を含む、請求項６又は７に記載の加熱式光源。
前記第２金属中間層が、クロム、チタン、及びニッケルから成る群から選択される金属を含む、請求項８又は９に記載の加熱式光源。
前記放射部が積層され、前記放射部よりも熱源側に配される支持基板を更に備える、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の加熱式光源。
前記支持基板は、シリコン基板、サファイア基板、及びガラス基板から成る群から選択される基板を含む、請求項１２に記載の加熱式光源。
通電に応じて発熱するシート状の加熱部を有する熱源を更に備える、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の加熱式光源。
動作温度が３００℃以上である、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の加熱式光源。
前記特定波長が２μｍよりも長い、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の加熱式光源。