WO2018182013A1 - 加熱式光源 - Google Patents

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WO2018182013A1
WO2018182013A1 PCT/JP2018/013970 JP2018013970W WO2018182013A1 WO 2018182013 A1 WO2018182013 A1 WO 2018182013A1 JP 2018013970 W JP2018013970 W JP 2018013970W WO 2018182013 A1 WO2018182013 A1 WO 2018182013A1
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metal
layer
light source
heating
source according
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PCT/JP2018/013970
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喜明 西島
伸 長沼
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国立大学法人横浜国立大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/02—Incandescent bodies
    • H01K1/04—Incandescent bodies characterised by the material thereof
    • H01K1/08—Metallic bodies
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01K1/00—Details
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    • H01K1/20—Mountings or supports for the incandescent body characterised by the material thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor

Definitions

  • the present disclosure relates to a heating type light source.
  • Patent Document 1 describes a problem that when a radiation beam from a heater is selectively extracted by a wavelength filter, the manufacture of the wavelength filter is complicated and the output energy is low (see Paragraph 0019 of Patent Document 1).
  • filtering a portion of the thermal radiation of an object means a loss of thermal energy consumed to generate wavelengths other than the specific wavelengths that pass through the filter.
  • Patent Document 1 describes that there is a need for an infrared light source that emits infrared light of a specific wavelength, which has a simple structure and can be applied to a wide range of fields, after describing such problems (Patent Document 1). Paragraph 0020). Patent Document 1 discloses a heating type light source using a lattice specified by parameters such as period P, width T, depth D, and angle ⁇ , as described in claim 1. Patent Document 2 discloses a technique for deep hole machining in order to increase the aspect ratio with respect to cavity resonance. In Patent Document 2, a thick first metal layer is required to form a deep hole.
  • a heating-type light source includes a radiating unit that emits a light beam that is heated according to heat transmitted from a heat source and enhanced at a specific wavelength longer than the visible light band based on surface plasmon resonance.
  • the radiation part is A metal layer having openings arranged two-dimensionally and / or a metal structure layer including a two-dimensional arrangement of metal islands or metal particles; A dielectric layer disposed closer to the heat source than the metal structure layer; A base metal layer provided so as to sandwich the dielectric layer with the metal structure layer; At least a part of radiation from the heat source side is blocked by the base metal layer.
  • the base metal layer has a thickness of 200 nm or more.
  • the dielectric layer has a thickness of 100 nm or less.
  • the metal structure layer has a thickness of 100 nm or less.
  • the metal structure layer and the base metal layer comprise a metal selected from the group consisting of silver, gold, copper, chromium, aluminum, and iron.
  • the thickness of the first metal intermediate layer is 5 nm or less.
  • the thickness of the second metal intermediate layer is 5 nm or less.
  • the first or second metal interlayer comprises a metal selected from the group consisting of chromium, titanium, and nickel.
  • the radiating unit is further stacked, and further includes a support substrate disposed closer to the heat source than the radiating unit.
  • the support substrate includes a substrate selected from the group consisting of a silicon substrate, a sapphire substrate, and a glass substrate.
  • a heat source having a sheet-like heating unit that generates heat in response to energization is further provided.
  • the operating temperature is 300 ° C. or higher.
  • the specific wavelength is longer than 2 ⁇ m.
  • a manufacturing method of a heating type light source includes: A step of laminating on the support substrate a radiating portion that emits light that is heated according to heat transmitted from a heat source and enhanced at a specific wavelength longer than the visible light band based on surface plasmon resonance; Connecting the support substrate to a heat source, The step of laminating the radiating portion on a support substrate includes: Laminating a base metal layer on the support substrate; Laminating a dielectric layer on the base metal layer; In the step of laminating a metal structure layer on the dielectric layer, the metal structure layer includes a metal layer in which openings are periodically arranged in a two-dimensional shape, and / or a two-dimensional metal island or metal particle. Including steps, including sequences.
  • the method further comprises the step of laminating a first metal intermediate layer on the dielectric layer, The metal structure layer is stacked on the first metal intermediate layer.
  • the method further comprises the step of laminating a second metal intermediate layer on the base metal layer.
  • the dielectric layer is stacked on the second metal intermediate layer.
  • a heating-type light source that can promote use of a simpler manufacturing technique and has reduced wavelength components other than the peak wavelength (in other words, background wavelength components) is provided. can do.
  • FIG. 1 It is a figure which shows schematic sectional structure of the heating-type light source which concerns on a 2nd reference example, and shows the case where a metal structure layer is a nanodisk array. It is a figure which shows the radiation spectrum waveform of a non-limiting example of the heating-type light source of a non-limiting example shown in FIG. It is a figure which shows the radiation spectrum waveform of a non-limiting example of the heating-type light source of a non-limiting example shown in FIG.
  • the transmission and reflection spectrum waveforms of the body are shown.
  • the horizontal axis indicates the wavelength ( ⁇ m)
  • the left first vertical axis indicates the reflectance (%)
  • the right second vertical axis indicates the transmittance (%).
  • the horizontal axis indicates the wavelength ( ⁇ m), and the vertical axis indicates the transmittance (%). It is a figure which shows the transmission spectrum waveform which heated and observed the element which laminated
  • FIGS. 1 to 16 Each feature included in one or more disclosed embodiments and example embodiments is not individually independent. Those skilled in the art can combine each example embodiment and / or each feature without undue explanation. Those skilled in the art can also understand the synergistic effect of this combination. In principle, duplicate description between the embodiments is omitted.
  • the reference drawings are mainly for description of the invention, and may be simplified for convenience of drawing.
  • each feature described with respect to a certain heated light source and / or method of manufacturing a heated light source is understood as a combination with other features, and is understood as an individual feature independent of other features. Is done. The description of all individual feature combinations is redundant to those skilled in the art and is omitted. Individual features are manifested by expressions such as “some embodiments”, “some cases”, “some examples”. The individual characteristics are not only effective for the heating type light source and / or the manufacturing method of the heating type light source disclosed in the drawings, for example, but various other heating type light sources and / or manufacturing methods of the heating type light source. Is understood as a universal feature.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of a heating light source according to an aspect of the present disclosure, and illustrates a case where the metal structure layer is a metal hole array.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of a heating light source according to an aspect of the present disclosure, and illustrates a case where the metal structure layer is a nanodisk array.
  • FIG. 3 is an SEM photograph showing the top surface of the metal hole array of the heating light source according to one aspect of the present disclosure.
  • FIG. 4 is an SEM photograph showing the top surface of the nanodisk array of the heated light source according to one aspect of the present disclosure.
  • the heating light source 5 shown in FIGS. 1 and 2 is heated in response to heat transmitted from the heat source 10 and emits a light beam enhanced at a specific wavelength longer than the visible light band based on surface plasmon resonance.
  • Part 7. The visible light band is, for example, 360 nm to 830 nm.
  • the radiating portion 7 includes at least a metal structure layer 16, a dielectric layer 14, and a base metal layer 12.
  • the radiating part 7 further includes a first metal intermediate layer 15 and a second metal intermediate layer 13 as an option.
  • the heating type light source 5 optionally includes a support substrate 11 on which the radiating unit 7 is stacked, and a heat source 10 having a heating unit that is thermally connected to the support substrate 11 and on which the support substrate 11 is bonded.
  • the support substrate 11 is stacked on the heating portion of the heat source 10, the base metal layer 12 is stacked on the support substrate 11, and the second metal intermediate layer 13 is stacked on the base metal layer 12.
  • the dielectric layer 14 is laminated on the second metal intermediate layer 13, the first metal intermediate layer 15 is laminated on the dielectric layer 14, and the metal structure layer 16 is laminated on the first metal intermediate layer 15. .
  • the metal structure layer 16 is disposed farthest from the heat source 10 in the heating light source 5, but this is not necessarily the case.
  • the stacking order described here can be changed according to omission or addition or integration of several layers.
  • the heating light source 5 is expected to be used in various fields, and can be used as a light source in the field of gas detection such as carbon dioxide.
  • the heating light source 5 can be used in combination with various other optical elements such as a lens, an optical filter, a polarizing beam splitter, and a reflecting mirror.
  • the heating light source 5 can be used in combination with various types of light receiving elements.
  • the heating light source 5 can be appropriately packaged and mounted on various devices as a small light source.
  • the metal structure layer 16 includes or includes a metal layer in which openings are periodically arranged in a two-dimensional manner and / or a two-dimensional arrangement of metal islands or metal particles.
  • the metal structure layer 16 includes or consists of a metal layer in which the openings OP16 are periodically arranged in a two-dimensional manner.
  • a metal layer in which such an opening OP16 is formed is called a metal hole array.
  • the metal structure layer 16 includes or consists of a two-dimensional array of metal islands LD16.
  • the metal island portion LD16 is replaced with metal particles.
  • a two-dimensional array of metal islands or metal particles is called a nanodisk array.
  • a form in which the same metal structure layer 16 has both a metal hole array and a nanodisk array is also envisaged.
  • An opening OP16 having a constant aperture diameter may be formed for one radiation light peak, or an opening OP16 having a plurality of aperture diameters may be formed for a plurality of radiation light peaks.
  • Metal islands or particles of constant width or diameter can be provided for one emitted light peak, or metal islands or particles of multiple width or diameter can be provided for multiple emitted light peaks.
  • the radiating portion 7 further includes a dielectric layer 14 disposed closer to the heat source 10 than the metal structure layer 16.
  • the radiating portion 7 includes a base metal layer 12 provided so as to sandwich the dielectric layer 14 with the metal structure layer 16.
  • the base metal layer 12 blocks at least part of the radiation from the heat source 10 side. Thereby, wavelength components other than the peak wavelength (in other words, background wavelength components) are reduced, and the peak of the emitted light becomes clearer.
  • the metal structure layer 16 and the base metal layer 12 are made of silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), chromium (Cr), aluminum (Al), and iron (Fe).
  • the dielectric layer 14 is in some cases silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the base metal layer 12, the dielectric layer 14, and the metal structure layer 16 can be formed by various semiconductor manufacturing techniques such as vapor deposition, CVD, PVD, coating, and photolithography.
  • the patterning of the metal structure layer 16 can be performed using a semiconductor manufacturing technique, in particular, photolithography. For example, a resist layer is formed on the first metal intermediate layer 15, and a two-dimensional array of islands is formed in the resist layer by photolithography. Next, the metal of the metal structure layer 16 is vacuum-deposited on the first metal intermediate layer 15, and the metal of the metal structure layer 16 is deposited on the first metal intermediate layer 15 and on the island portion of the resist layer. Subsequently, the island portion of the resist layer and the metal structure layer 16 on the island portion are also removed by lift-off. In this way, a metal layer in which the openings OP16 are periodically arranged in a two-dimensional manner, that is, a metal hole array is constructed.
  • openings that are periodically arranged in a two-dimensional manner are also formed in the first metal intermediate layer 15.
  • the usage amount of the first metal intermediate layer 15 is reduced.
  • the following manufacturing method is adopted.
  • a resist layer is formed on the dielectric layer 14, and a two-dimensional array of islands is formed in the resist layer by photolithography.
  • the metal of the first metal intermediate layer 15 is vacuum-deposited on the dielectric layer 14, and subsequently, the metal of the metal structure layer 16 is vacuum-deposited.
  • the metal of the first metal intermediate layer 15 and the metal structure layer 16 is deposited on the dielectric layer 14 and the island portion of the resist layer.
  • the opening of the metal hole array may be a through hole that penetrates the metal structure layer 16 and the first metal intermediate layer 15.
  • the following manufacturing method is adopted.
  • a resist layer is formed on the first metal intermediate layer 15, and an array of two-dimensional openings is formed in the resist layer by photolithography.
  • the metal of the metal structure layer 16 is vacuum-deposited, and the metal is deposited on the resist layer and in the openings of the resist layer.
  • the resist layer and the metal layer on the resist layer are removed, whereby a two-dimensional array of metal island portions LD16, that is, a nanodisk array is constructed.
  • the first metal intermediate layer 15 is composed of a two-dimensional array of metal islands.
  • the usage amount of the first metal intermediate layer 15 is reduced.
  • the following manufacturing method is adopted.
  • a resist layer is formed on the dielectric layer 14, and an array of two-dimensional openings is formed in the resist layer by photolithography.
  • the metal of the first metal intermediate layer 15 is vacuum-deposited, and then the metal of the metal structure layer 16 is vacuum-deposited.
  • the metal of the first metal intermediate layer 15 and the metal structure layer 16 is deposited on the resist layer and in the opening of the resist layer.
  • the resist layer and the metal layer on the resist layer are removed, whereby the patterned first metal intermediate layer 15 and metal structure layer 16 are laminated on the dielectric layer 14.
  • an island portion formed of a laminate of the metal layer island portion of the first metal intermediate layer 15 and the metal layer island portion of the metal structure layer 16 is two-dimensionally arranged.
  • the dielectric layer 14 includes or consists of a dielectric layer in which openings are periodically arranged in a two-dimensional manner, or a two-dimensional arrangement of dielectric islands.
  • the metal particles can be disposed in the holes of the insulating layer formed on the first metal intermediate layer 15.
  • the hole in the insulating layer can be formed with high accuracy by a semiconductor process technique such as etching. Through additional processes such as spin coating of the solution containing the metal particles and volatilization of the solvent, a two-dimensional arrangement of the metal particles can be achieved.
  • heat is transmitted from the heat source 10 to the radiating unit 7, and the radiating unit 7 is heated. That is, the base metal layer 12, the dielectric layer 14, and the metal structure layer 16 of the radiating portion 7 are heated.
  • the metal structure layer 16 surface plasmon resonance that enhances radiation of a specific wavelength occurs depending on the periodicity of the opening OP16 and / or the width or particle diameter of the metal island portion LD16.
  • the surface plasmon resonance is enhanced due to the increased electric field (due to the contact between the dielectric and the metal) in the metal structure layer 16 and the base metal layer 12 stacked via the dielectric layer 14, resulting in a specific wavelength.
  • the peak at is increased.
  • the base metal layer 12 functions as a shield layer that suppresses transmission of light rays coming from the heat source 10 side in addition to the enhancement of surface plasmon resonance.
  • the heating type light source 5 in which wavelength components other than the peak wavelength are reduced is provided.
  • the above-described heating light source can be manufactured based on existing manufacturing technology, for example, semiconductor process technology, and facilitates the use of simpler manufacturing technology.
  • the light emitted from the heating light source 5 mainly includes the light emitted from the radiating portion 7, particularly the metal structure layer 16. Is expected. It has been demonstrated that the base metal layer 12 does not completely block the transmission of light coming from the heat source 10 side. The base metal layer 12 is allowed not to block all the light rays coming from the heat source 10 side.
  • the distance between the metal structure layer 16 and the base metal layer 12 is 10 nm or more and / or 100 nm or less.
  • the thickness of the base metal layer 12 is 200 nm or more. Light rays coming from the heat source 10 side can be sufficiently blocked.
  • the thickness of the base metal layer 12 may be 400 nm or less.
  • the base metal layer 12 may be an unpatterned solid layer. The solid layer means a non-patterning layer having a constant thickness.
  • the base metal layer 12 can be a metal foil or a metal substrate.
  • the light transmittance of the base metal layer 12 decreases exponentially as the thickness of the base metal layer 12 increases.
  • the transmitted light of the base metal layer 12 satisfies the optical density (OD (Optical Density) value)> 8, and light rays coming from the heat source 10 side pass through the base metal layer 12. Permeation is sufficiently prevented.
  • FIG. 5 is a chart showing the relationship between the thickness of the base metal layer and its transmittance. This chart is obtained by FDTD calculation simulation.
  • the FDTD calculation simulation is a calculation model for obtaining the transmittance related to the thickness of the base metal layer, and a wavelength of 3 to 5 ⁇ m at which plasmon resonance occurs is used.
  • the base metal layer is a gold (Au) layer.
  • Au gold
  • the vertical axis in FIG. 5 As shown in FIG. 5, as the thickness of the base metal layer 12 increases, the light transmittance of the base metal layer 12 decreases exponentially. Note that the vertical axis in FIG.
  • FIG. 5 is the logarithmic axis (Arb.) Unit), and therefore the calculated values are plotted on or near the linear function in FIG.
  • FIG. 5 shows the calculation result when the thickness of the base metal layer 12 is in the range of 0 nm to 400 nm. It is expected that the same calculation result is obtained even when the thickness of the base metal layer 12 is 400 nm or more.
  • the upper limit value of the thickness of the base metal layer 12 is, for example, 400 nm. When the thickness of the base metal layer 12 is 400 nm or less, the film formation time of the base metal layer 12 is shortened and / or the increase of the thickness of the radiation part 7 is avoided.
  • the thickness of the base metal layer 12 is 200 nm or more. It has been found by simulation that the light absorption rate by the metal structure layer 16 is increased when the thickness of the base metal layer 12 is 200 nm or more.
  • the increase in the absorption rate of light by the metal structure layer 16 means that the radiation efficiency of the metal structure layer 16 (in other words, generation of light enhanced at a specific wavelength longer than the visible light band based on surface plasmon resonance). Efficiency).
  • FIG. 6 is a chart showing the relationship between the thickness of the base metal layer and the absorption rate of the metal structure layer. This chart is obtained by FDTD calculation simulation.
  • the FDTD calculation simulation is a calculation model for obtaining an absorptance related to the thickness of the base metal layer, and is performed for the metal hole array in the lower right of FIG.
  • the wavelength used for the simulation is about 3.7 ⁇ m.
  • the base metal layer is a gold (Au) layer.
  • Au gold
  • the light absorptance of the metal structure layer 16 changes as the thickness of the base metal layer 12 increases.
  • the absorptance of the metal structure layer 16 increases as the thickness of the base metal layer 12 increases.
  • the thickness of the base metal layer 12 is 200 nm or more
  • the light absorption rate in the metal structure layer 16 is saturated and becomes constant.
  • the thickness of the base metal layer 12 is 200 nm or more
  • the light absorptance by the metal structure layer 16 is high, and thus the radiation efficiency of the metal structure layer 16 is high.
  • the upper limit value of the thickness of the base metal layer 12 is, for example, 400 nm.
  • the thickness of the base metal layer 12 is 400 nm or less, the film formation time of the base metal layer 12 is shortened and / or the increase of the thickness of the radiation part 7 is avoided.
  • the thickness of the dielectric layer 14 is 10 nm or more and / or 100 nm or less. Moreover, the thickness of the metal structure layer 16 is 100 nm or less.
  • the heating-type light source 5 (and / or the radiating unit 7) further includes a first metal intermediate layer 15 disposed between the dielectric layer 14 and the metal structure layer 16.
  • the heated light source 5 (and / or the radiating portion 7) further includes a second metal intermediate layer 13 disposed between the base metal layer 12 and the dielectric layer 14.
  • Each metal intermediate layer may be provided to ensure adhesion between the metal of the metal structure layer 16 or the base metal layer 12 and the dielectric layer 14.
  • each metal intermediate layer may be provided to suppress alloying of the metal of the metal structure layer 16 or the base metal layer 12 and the dielectric layer 14. It is also anticipated that each metal interlayer is provided for a different purpose.
  • Each metal interlayer comprises a metal selected from the group consisting of chromium (Cr), titanium (Ti), and nickel (Ni) in some cases.
  • Each metal intermediate layer can be formed by utilizing various thin film forming techniques such as vapor deposition, CVD, PVD, and coating.
  • Each metal intermediate layer need not be a solid layer, and can be patterned in the same manner as or different from the metal structure layer 16 as described above.
  • the thickness of the first metal intermediate layer 15 is 5 nm or less. In some cases, the thickness of the second metal intermediate layer 13 is 5 nm or less. When the metal intermediate layers 13 and 15 have such a thickness, the influence on the surface plasmon resonance is sufficiently reduced.
  • the base metal layer 12 can function as a support substrate for the radiation portion 7.
  • the radiating part 7 is laminated on the support substrate 11.
  • the heating-type light source 5 includes a support substrate 11 on which the radiating unit 7 is stacked and is disposed closer to the heat source 10 than the radiating unit 7.
  • the support substrate 11 includes a substrate selected from the group consisting of a silicon substrate, a sapphire substrate, and a glass substrate. The construction of the laminated structure of the radiating portion 7 on the support substrate 11 is in accordance with the existing established semiconductor process technology, but other manufacturing methods may be adopted.
  • the support substrate 11 is heated by the heat source 10 and can radiate in a wide band. By blocking the transmission of the light beam by the base metal layer 12 described above, the radiation of the support substrate 11 is suppressed from affecting the radiation spectrum waveform obtained as the output of the heating light source 5.
  • the heating-type light source 5 includes a heat source 10 having a sheet-like heating unit that generates heat in response to energization.
  • the heat source 10 can be, for example, a ceramic heater.
  • the heating light source 5 can be manufactured by bonding the support substrate 11 and the heating part of the ceramic heater.
  • the support substrate 11 and the heating part of the heat source are in close contact with each other via grease, and good heat transfer can be ensured.
  • the heat source 10 can be a semiconductor heating element.
  • the semiconductor heating element has a high-resistance thin film, and the thin film emits broadband radiation when energized.
  • the radiation radiated from the thin film propagates through a medium such as air or vacuum, and reaches the radiating section 7 through or without the support substrate 11.
  • the radiating unit 7 absorbs radiation and is heated.
  • FIG. 7 is a diagram showing a non-limiting example radiation spectrum waveform of the non-limiting example heating-type light source shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing a non-limiting example of a radiation spectrum waveform of the non-limiting example of the heating type light source shown in FIG. 7 and 8, the heating light source 5 is heated to 300 ° C., and the radiation light of the heating light source 5 when the heating light source 5 is in a steady state is used with a Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR). Observed. More precisely, FIG. 7 shows a radiation spectrum waveform of the heating light source of FIG. 1 in which openings are patterned in the first metal intermediate layer 15. More precisely, FIG. 8 shows a radiation spectrum waveform of the heating light source of FIG. 2 in which the first metal intermediate layer 15 is patterned in an island shape.
  • FTIR Fourier transform infrared spectrophotometer
  • FIG. 7 a metal structure in which openings OP16 having opening diameters of 0.66, 0.7, 0.74, and 0.78 ⁇ m are formed at periods of 1.32 ⁇ m, 1.40 ⁇ m, 1.48 ⁇ m, and 1.56 ⁇ m.
  • the radiation spectrum waveform of the heating-type light source 5 provided with the layer 16 is shown.
  • the opening diameter of the opening OP16 is 1 ⁇ 2 of the period of the opening OP16. It can be seen that the wavelength of the peak in the radiation spectrum waveform changes with the period as a parameter. It is understood that this peak wavelength is the specific wavelength described herein or includes the specific wavelengths described above.
  • the radiation spectrum waveform of the heating-type light source 5 provided with the structure layer 16 is shown.
  • the diameter of the metal island part LD16 is 1 ⁇ 2 of the period of the metal island part LD16. It can be seen that the wavelength of the peak in the radiation spectrum waveform changes with the period as a parameter.
  • FIG. 7 and FIG. 8 are common points in that the intensity of light beams having wavelengths other than the wavelength band to which the peak belongs is low. That is, the emission of the background component indicated by the arrow BG is suppressed.
  • the above-described base metal layer 12 is considered to be a result of functioning as a shield layer that suppresses transmission of light rays coming from the heat source 10 side in addition to the enhancement of surface plasmon resonance.
  • the peak steepness is higher when the metal structure layer 16 is configured as a metal hole array than when the metal structure layer 16 is configured as a nanodisk array.
  • a 200 nm thick Au layer is used as the base metal layer 12, and a 5 nm thick Cr layer is used as each of the metal intermediate layers 13 and 15.
  • a 10 nm thick SiO 2 layer was used as the body layer 14, and a 50 nm thick Au layer was used as the metal structure layer 16.
  • other elements or materials may be used for the base metal layer 12, the metal intermediate layers 13, 15, the dielectric layer 14, and the metal structure layer 16 and that similar results are obtained. It should be noted that the description of the specific embodiments described in FIGS. 7 and 8 or this paragraph should not be used as a limitation.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of the heating light source according to the first reference example, and shows a case where the metal structure layer is a metal hole array.
  • FIG. 10 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of a heating light source according to a second reference example, and shows a case where the metal structure layer is a nanodisk array.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an emission spectrum waveform of an example of the non-limiting example of the heating type light source illustrated in FIG. 9.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a non-limiting example of a radiation spectrum waveform of the non-limiting example of the heating type light source illustrated in FIG. 10.
  • a silicon substrate 21 is stacked on the heat source 20, a Cr layer (metal intermediate layer) is stacked on the silicon substrate 21, and an Au layer metal hole array is formed on the Cr layer. 23 or the nanodisk array 24 is laminated.
  • the metal hole array of FIG. 9 has openings formed periodically like the metal hole array of FIG. 1, and enhances radiation of a specific wavelength by plasmon resonance.
  • the metal islands are arranged two-dimensionally, and the radiation of a specific wavelength is enhanced by plasmon resonance.
  • the background components shown in FIGS. 11 and 12 are larger than the background components shown in FIGS. 7 and 8, and in FIG. 12, the peak formation itself is affected.
  • the Cr layer in FIGS. 9 and 10 is 5 nm thick, and the Au layer of the metal hole array 23 or the nanodisk array 24 is 50 nm thick.
  • FIG. 13 is a reference diagram showing the transmission and reflection characteristics of the radiating portion, the upper side shows the transmission and reflection spectrum waveform of the single metal structure layer of the metal hole array, and the lower side is the metal structure layer / dielectric of the metal hole array.
  • the transmission and reflection spectrum waveforms of the laminate of the body layer / base metal layer are shown. Transmission and reflection characteristics were evaluated using a wavelength tunable light source and a broadband light receiving element.
  • the upper spectral waveform shows the transparency and reflectivity of the single metal hole array.
  • the lower spectral waveform indicates the transparency and reflectivity of the radiation portion 7 including the combination of the base metal layer 12, the dielectric layer 14, and the metal structure layer 16 described above.
  • the presence of an absorption peak due to the periodicity of the opening OP16 of the metal structure layer 16 can be understood from the reflection spectrum. It can be seen from the lower spectral waveform that the base metal layer 12 substantially blocks light transmission.
  • the existence of the structure of the radiating portion 7 can be supported from the reflection and transmission spectrum waveforms of the heating light source 5.
  • the operating temperature of the heating light source 5 is 300 ° C. or higher.
  • the peak intensity can be further increased by increasing the operating temperature of the heating light source 5.
  • the specific wavelength is longer than 2 ⁇ m.
  • Mid-infrared radiation is useful for the detection or analysis of various types of gases such as carbon dioxide, and the provision of other alternative inexpensive light sources has not yet been realized. For example, a cascade laser element is expensive.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of a heating light source according to an aspect of the present disclosure, and illustrates a case where a cap layer is additionally provided.
  • a cap layer 17 can be laminated on the metal structure layer 16.
  • the cap layer 17 may be a dielectric having sufficient transparency for at least mid-infrared rays such as silicon dioxide, titanium oxide, zinc oxide, zirconia oxide, aluminum oxide, and ceramic.
  • the cap layer 17 significantly increases the heat resistance of the heating light source 5.
  • FIG. 15 shows the result of heating a device having a metal hole array laminated on a silicon substrate and observing its transmission spectrum. The device was destroyed at 500 ° C.
  • FIG. 16 shows an example in which a metal hole array is laminated on a silicon substrate, and further, a device in which silicon dioxide is laminated as a cap layer is heated and its transmission spectrum is observed, and heat resistance up to 700 ° C. can be confirmed. . From such experimental results, the heat resistance of the heating light source 5 can be improved by forming the cap layer 17 on the metal hole array as shown in FIG. 14 or forming the cap layer 17 on the nanodisk array. It was confirmed. In addition, since the peak property of transmission is maintained, it is understood that the peak property of radiation is also maintained. It is also expected to provide a gradient index lens layer on the cap layer 17.
  • an additional metal structure layer of one or more metal hole arrays is provided on the cap layer 17.
  • the heating type light source 5 can be manufactured by various methods. For example, the following manufacturing method may be employed.
  • the manufacturing method of the heating light source 5 is as follows: A step of laminating on the support substrate a radiating portion that emits light that is heated according to heat transmitted from a heat source and enhanced at a specific wavelength longer than the visible light band based on surface plasmon resonance; Connecting the support substrate to a heat source.
  • the step of laminating the radiation part on the support substrate is as follows: Laminating a base metal layer on a support substrate; Laminating a dielectric layer on the base metal layer; And laminating a metal structure layer on the dielectric layer.
  • the metal structure layer includes a metal layer in which openings are periodically arranged in a two-dimensional manner and / or a two-dimensional arrangement of metal islands or metal particles.
  • the method for manufacturing the heating light source 5 further includes a step of laminating the first metal intermediate layer on the dielectric layer, and the metal structure layer is laminated on the first metal intermediate layer.
  • the method for manufacturing the heating light source 5 further includes the step of laminating the second metal intermediate layer on the base metal layer, and the dielectric layer is laminated on the second metal intermediate layer.

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Abstract

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）を備える。放射部（７）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（１６）と、金属構造層（１６）よりも熱源（１０）側に配される誘電体層（１４）と、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。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。

Description

加熱式光源
　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 (16)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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。
  15. 　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。
  16. 　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。
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