(57)【要約】【課題】周期構造体への外部からの光または熱の照射により赤外線を輻射する赤外線輻射デバイスにおいて、外部からの光または熱を効率よくデバイスに吸収することができず高い輻射効率が得られない。【解決手段】周期構造体に接した熱発生源を具備し、熱発生源の構造が周期構造体側から、外部からの光または熱を吸収し発熱する発熱層と、熱の拡散を抑制する低熱伝導層を順に具備することで光または熱の利用効率を高めることができ、高輻射効率の赤外線輻射デバイスを得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
電子のバンドギャップの一部が重複する異なる二種の半導体を、前記基板上に交互に積層してなる量子井戸構造と、
前記量子井戸により離散化された電子遷移波長で共振を起こす空孔が、前記量子井戸構造に周期的に配置された周期構造体と、
前記周期的に配置された空孔の間に設けられた点状欠陥と、
前記量子井戸構造が積層された面と異なる前記基板の表面に設けられ、外部からの光または熱を吸収し発熱する平坦な発熱層と、
前記発熱層に接して設けられ、熱の拡散を抑制する低熱伝導層と、
を具備する赤外線輻射デバイス。
【請求項２】
前記発熱層がＢｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａおよびＷの中から選ばれる少なくとも一つの材料を５０％以上含む、
請求項１に記載の赤外線輻射デバイス。
【請求項３】
前記低熱伝導層がＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２、ＺｒＯ２およびＺｎＳの中から選ばれる少なくとも一つの材料を５０％以上含む、
請求項１に記載の赤外線輻射デバイス。
【請求項４】
前記基板と前記発熱層との間に、熱の拡散を促進する高熱伝導層を具備する、
請求項１に記載の赤外線輻射デバイス。
【請求項５】
前記高熱伝導層がＡｌ、Ａｇ、Ｃｒ、ＣｕおよびＧｅの中から選ばれる少なくとも一つの材料を５０％以上含む、
請求項４に記載の赤外線輻射デバイス。
【請求項６】
前記基板上に複数の周期構造体を有し、前記複数の周期構造体は、前記半導体の材料が異なる、もしくは前記半導体の膜厚が異なる、もしくは前記空孔の周期が異なる、のいずれかである、
請求項１に記載の赤外線輻射デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光および熱の照射により選択された狭帯域の赤外線を輻射するデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長オーダーの周期的な微細構造を固体内部またはその表面に作製することで、光学特性を制御し、光や電磁場の閉じ込めや増強させることができる。その一例としてフォトニック結晶があり、微細構造の周期や材料により、閉じ込めや取り出す光の波長が決められる。つまりデバイスに応用すると光の波長を選択的に制御でき、デバイスに必要な波長を得ることが可能となる。このようなデバイスは近年の微細加工技術の進歩に伴い、より厳密に光の制御を行えるようになり発展してきた。
【０００３】
デバイスの一例として、特許文献１に記載の、表面より選択された波長を輻射する狭帯域を有する輻射デバイス（エミッタ）が挙げられる。物体を熱することにより発せられる熱輻射は、一般に極めて広いスペクトルをもつことが知られているが、このデバイスにおいては極めて帯域幅の狭い赤外線輻射が得られている。これは物質内部の電子系と光の相互作用を、ある特定の波長のみで起こるように制御、つまり光の放出・吸収が特定の限られた波長域でのみ強く起こるように、電子の状態、光の状態、さらに両者の相互作用の強さを制御することにより、外部からの熱エネルギー（ジュール熱）を狭帯域の熱輻射スペクトルとして取り出している。具体的には、電子の状態の制御のために「量子井戸」と呼ばれる構造を導入し、電子遷移の波長が連続的ではなく離散化されるようにし、さらに周期的な屈折率分布をもつフォトニック結晶を導入し、上記の離散化された電子遷移波長のみで、光が強い共振作用を起こす、すなわち、限定された波長域のみで、電子と光の強い相互作用が起こる構造のデバイスである。
【０００４】
また、特許文献２では、フォトニック結晶以外でも金属・誘電体表面で発生するプラズモンを利用した輻射デバイス等も考案されている。
【０００５】
なお、低熱伝導層と誘電体層の積層構造による蓄熱構造は、特許文献３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−５３１３４号公報
【特許文献２】国際公開第０７／１３９０２２号
【特許文献３】特開平８−６３７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記いずれの技術においても、光源または熱源からのエネルギーを効率よく赤外線のエネルギーに変換し輻射する赤外線輻射デバイスを実現することができなかった。
【０００８】
本発明は、従来のデバイスに対し、外部からの光または熱のエネルギーを効率よく吸収し、速やかに損失なく周期構造体に伝達させ、高い輻射効率を得られる赤外線輻射デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、赤外線輻射デバイスは、基板と、電子のバンドギャップの一部が重複する異なる二種の半導体を、前記基板上に交互に積層してなる量子井戸構造と、前記量子井戸により離散化された電子遷移波長で共振を起こす空孔が、前記量子井戸構造内に周期的に配置された周期構造体と、前記周期的に配置された空孔の間に設けられた点状欠陥と、前記量子井戸構造が積層された面と異なる前記基板の表面に設けられ、外部からの光または熱を吸収し発熱する平坦な発熱層と、前記発熱層に接して設けられ、熱の拡散を抑制する低熱伝導層と、を具備する。
【発明の効果】
【００１０】
上記により、高効率で狭帯域の赤外線を輻射することができる赤外線輻射デバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における赤外線輻射デバイスの概略図
【図２】本発明の実施の形態２における赤外線輻射デバイスの概略図
【図３】本発明の実施の形態３における赤外線輻射デバイスの概略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明における実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は例示的なものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１として、狭帯域を有する赤外線輻射デバイスの一例を説明する。図１は、発明の一態様に係る赤外線輻射デバイス１を示す。
【００１４】
まず、周期構造体１０の作製について説明する。ＧａＡｓ基板１１を準備し、エピタキシャル成長法によりＧａＡｓを形成する。その上をエピタキシャル成長法によりにＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを形成する。さらに同様にしてエピタキシャル成長法によるＧａＡｓとＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを交互に形成していき、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの多層構造からなる多重量子井戸１２を作製する。この多重量子井戸に対しナノインプリント法またはフォトリソグラフィ法とＣＦ４エッチングにより、樹脂マスクを作製する。樹脂マスクは円形の穴が六方最密配列で周期的に配置されている。樹脂マスク形成後、Ａｒエッチングを行い、多重量子井戸１２に対し空孔を形成する。最後にＯ２プラズマによるアッシングを行い残された樹脂マスクを除去する。このようにして円筒形の空孔を有した多重量子井戸１２からなる周期構造体１０が作成される。また周期構造体１０の一部にわずかに周期が異なる領域を形成しており、この領域より赤外線が輻射される。輻射される赤外線の波長は円筒形空孔の周期および、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの厚みで決定される。
【００１５】
周期構造体１０を複数の半導体材料を積層してなる量子井戸構造とすることにより、より狭い帯域の赤外線を輻射することができる。本態様において、狭帯域とは、スペクトルの半値全幅が５０ｎｍ以下である場合をいう。
【００１６】
この周期構造体１０を形成した基板の裏面に、熱発生源１３として発熱層１４および低熱伝導層１５をこの順で形成する。発熱層１４は光または熱を高効率で吸収し、熱エネルギーに変換する役割を有する。
【００１７】
本発明の一態様に係る赤外線輻射デバイスは、外部からの光や熱を、所望の波長として輻射させる。輻射される赤外線のエネルギーは外部からの光や熱のエネルギーをどの程度デバイスに吸収できるかで決まる。つまり、得られるエネルギーを損失なく周期構造体に伝達することにより、より高いエネルギーの赤外線が輻射できることになる。
【００１８】
即ち、光または熱を高効率で吸収し発熱する発熱層１４、吸収したエネルギーを周期構造体以外に拡散するのを抑制する低熱伝導層１５を設けるものである。
【００１９】
発熱層１４は、例えば、特許文献３において、光ディスク上の信号の読み出しを行うために形成された凹凸面上に成膜されている。そのため、発熱層を平坦な構成とすることはできない。なぜなら、光で信号の読み出しを行うという特許文献３の目的を達成できなくなるからである。
【００２０】
そこで、本態様は、前記量子井戸構造が積層された面と異なる前記基板の表面に設けられ、外部からの光または熱を吸収し発熱する平坦な発熱層とするものである。
【００２１】
上記態様によると、発熱層１４が平坦に形成されるため、凹凸による影によって生じる光の損失を招くことなく、光または熱を高効率で吸収することができる。
【００２２】
発熱層１４の材料としては金属系の材料が適しており、Ｂｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａおよびＷの中から選ばれる少なくとも一つの材料を５０％以上含むことが好ましい。具体的にはＢｉ、Ｔｉ、Ｎｉ０．８Ｃｒ０．２、Ｎｉ０．８Ｃｕ０．２、Ｍｎ０．８Ｃｕ０．２、Ｓｂ０．４Ｔｅ０．６などが挙げられる。
【００２３】
低熱伝導層１５は発熱層１４で発生した熱を周期構造体１０以外に拡散するのを抑制する役割を有する。つまり低熱伝導率の材料であることが好ましく、また外部光源１６のエネルギーを損失なく発熱層１４に伝達するために、高透明性であることが好ましい。具体的にはＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２、ＺｒＯ２およびＺｎＳの中から選ばれる少なくとも一つの材料を５０％以上含む材料が好ましく、（ＺｎＳ）０．８（ＳｉＯ２）０．２、（ＺｎＯ２）０．８（ＳｉＯ２）０．２、（ＺｒＯ２）０．８（Ｃｒ２Ｏ３）０．２などが挙げられる。
【００２４】
発熱層１４および低熱伝導層１５の形成にはスパッタリング法が好ましい。発熱層１４および低熱伝導層１５は、周期構造体１０の基板１１の全面に成膜してもよく、スパッタリング時にマスクを形成し部分的に形成してもよい。
【００２５】
以上のように、本実施の形態１によれば、周期構造体１０を形成した基板の裏面に、熱発生源１３として発熱層１４および低熱伝導層１５を形成することにより、光または熱を高効率で吸収し、高効率で狭帯域の赤外線を輻射することができる赤外線輻射デバイスを実現できる。
【００２６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２として、狭帯域を有する赤外線輻射デバイスの一例を説明する。
【００２７】
図２に示す改良した赤外線輻射デバイス２は、実施の形態１に記載した赤外線輻射デバイス１に対し、基板１１と発熱層１４との間に高熱伝導層２０を具備していることである。
【００２８】
即ち、光または熱を高効率で吸収し発熱する発熱層、吸収したエネルギーを周期構造体以外に拡散するのを抑制する低熱伝導層に加え、吸収したエネルギーを損失なく周期構造体に伝達する高熱伝導層を設けるものである。
【００２９】
前記基板１１と前記発熱層１４との間に高熱伝導層２０を具備することにより、熱の拡散が促進され、改良した赤外線輻射デバイス２の輻射効率をさらに向上することができる。
【００３０】
高熱伝導層２０は、発熱層１４で発生した熱エネルギーを速やかに損失なく周期構造体１０に伝達するのに加え、低熱伝導層１５との光学的な多重干渉（反射）により発熱層１４の光の吸収効率を向上する役割を有する。具体的にはＡｌ、Ａｇ、Ｃｒ、ＣｕおよびＧｅの中から選ばれる少なくとも一つの材料を５０％以上含むことが好ましい。具体的には、Ａｇ０．７Ｃｕ０．３、Ａｌ０．８Ｃｒ０．２、Ｇｅ０．８Ｃｒ０．２、Ｓｉ０．７Ｃｒ０．３、Ｇｅ０．７Ｃｒ０．２Ｎ０．１、Ａｌ０．６Ｃｕ０．２Ｎ０．２などが挙げられる。
【００３１】
実施の形態１と同様に、高熱伝導層２０は基板１１の全面に成膜してもよいし、スパッタリング時にマスクを形成し部分的に形成してもよい。
【００３２】
周期構造体１０、基板１１、多重量子井戸１２、発熱層１４および低熱伝導層１５の機能、作成方法や材料に関しては実施の形態１で示した通りである。
【００３３】
以上のように、本実施の形態２によれば、周期構造体１０を形成した基板の裏面に、熱発生源１３として発熱層１４および低熱伝導層１５を形成し、基板１１と発熱層１４との間に高熱伝導層２０を具備することにより、熱の拡散が促進され、赤外線輻射デバイスの輻射効率をさらに向上することができる。
【００３４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３として、狭帯域を有する赤外線輻射デバイスの一例を説明する。
【００３５】
図３に示す複数波長の赤外線輻射デバイス３は、実施の形態１または２に記載した赤外線輻射デバイスをアレイ化し、波長の異なる複数の赤外線を一つのデバイスから得られる構成としたものである。波長の異なる複数の赤外線は、以下のいずれかの構成とすることによって実現できる。即ち、複数の周期構造体をそれぞれ異なる半導体材料で構成する、もしくは複数の周期構造体をそれぞれ異なる半導体膜厚で構成する、もしくは複数の周期構造体をそれぞれ異なる空孔の周期で構成する、のいずれかを含むものである。
【００３６】
以上のように、本実施の形態３によれば、所望の赤外線波長を複数得ることができ、一つの赤外線輻射デバイスから、波長の異なる複数の赤外線を輻射することが可能となる。
【００３７】
発熱層１４、低熱伝導層１５、また必要に応じ高熱伝導層２０をそれぞれの周期構造体に設けており、作成方法や材料は実施の形態１および２で示したものと同様である。
【００３８】
外部の光または熱の照射は各周期構造体に絞って照射されるよう切り替えてもよいし、全体に同時に照射されてもよい。また必要に応じ、赤外線の輻射される面に所望の赤外線のみを透過する赤外線フィルタを設けてもよい。これにより複数波長の赤外線を同時に出射することも可能であるし、所望数の赤外線を出射することも可能となる。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態例は、あくまでも本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。例えば周期構造体に関しても、本実施の形態では空孔を有したフォトニック結晶を取りあげたが、凹凸または溝形状のプラズモニック構造体を用いることも可能である。
【００４０】
本発明のより具体的な実施の形態について、実施例を用いてさらに詳細に説明する。
【００４１】
（実施例１）
本実施例では、実施の形態１で示した赤外線輻射デバイス１に関して説明する。
【００４２】
厚さ０．７μｍのＧａＡｓ基板１１を準備し、その上に多重量子井戸１２を２ｍｍ×２ｍｍの領域に形成した。多重量子井戸は８ｎｍのＧａＡｓと１５ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを交互に積層し、それぞれ５０層ずつ形成した周期構造とした。このように形成した周期構造にＡｒエッチングを行い、円筒形の空孔を周期的に形成した。空孔の直径は３．５μｍ、周期（格子定数）は７μｍとした。空孔は、周期的に配置された中に、一部周期が異なる領域を設けた。以上のようにして得られた周期構造体からは赤外線が輻射され、輻射される赤外線の波長は１０μｍ、そのスペクトルの半値全幅は３５ｎｍであった。
【００４３】
発熱層１４には、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ０．８Ｃｒ０．２、Ｎｉ０．８Ｃｕ０．２またはＭｎ０．８Ｃｕ０．２を適用した。また発熱層１４の膜厚はいずれの材料においても５０ｎｍとした。
【００４４】
低熱伝導層１５には、（ＺｎＳ）０．８（ＳｉＯ２）０．２または（ＺｎＯ２）０．８（ＳｉＯ２）０．２を適用した。また低熱伝導層１５の膜厚はいずれの材料においても５０ｎｍとした。
【００４５】
このように作成した赤外線輻射デバイス１に、外部光源１６として波長６５０ｎｍのＬＥＤ（発光ダイオード）を用い、光を照射したときの赤外線の輻射効率の評価を行った。外部光源（エネルギー）に対する輻射効率は直接輻射される赤外線のエネルギーを計測してもよいが、輻射されるエネルギーは赤外線輻射デバイス１の上昇温度と相関があるため、赤外線輻射デバイス１の温度を計測することでも評価が可能である。つまりＬＥＤの出力を揃えたとき、赤外線輻射デバイス１の温度上昇が高いほど、高いエネルギーの赤外線が輻射される、つまりは輻射効率が高いことを意味する。
【００４６】
よって、前述した発熱層１４および低熱伝導層１５の材料をそれぞれ適用したときの赤外線輻射デバイス１の温度上昇率を評価した。評価において、低熱伝導層１５を設けず発熱層１４にＴｉを適用した場合を比較例とした。評価は、比較例に対し、３％以上向上したものを＋、８％以上向上したものを＋＋、１２％以上向上したものを＋＋＋として評価した。結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2015064532.tif 000003
【００４８】
いずれにおいても比較例より向上した結果が得られた。
【００４９】
（実施例２）
本実施例では、実施の形態２で示した赤外線輻射デバイス１に関して説明する。
【００５０】
厚さ０．７μｍのＧａＡｓ基板１１を準備し、その上に多重量子井戸１２を２ｍｍ×２ｍｍの領域に形成した。多重量子井戸は８ｎｍのＧａＡｓと１５ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを交互に積層し、それぞれ５０層ずつ形成した周期構造とした。このように形成した周期構造にＡｒエッチングを行い、円筒形の空孔を周期的に形成した。空孔の直径は３．５μｍ、周期（格子定数）は７μｍとした。空孔は、周期的に配置された中に、一部周期が異なる領域を設けた。以上のようにして得られた周期構造体からは赤外線が輻射され、輻射される赤外線の波長は１０μｍ、そのスペクトルの半値全幅は３５ｎｍであった。
【００５１】
発熱層１４にはＴｉ、Ｎｉ０．８Ｃｒ０．２またはＭｎ０．８Ｃｕ０．２を適用した。また発熱層１４の膜厚はいずれの材料においても５０ｎｍとした。
【００５２】
低熱伝導層１５には（ＺｎＳ）０．８（ＳｉＯ２）０．２を適用した。また低熱伝導層１５の膜厚は５０ｎｍとした。
【００５３】
高熱伝導層２０にはＡｌ０．８Ｃｒ０．２、Ｇｅ０．８Ｃｒ０．２またはＳｉ０．７Ｃｒ０．３を適用した。また高熱伝導層２０の膜厚はいずれの材料においても１５ｎｍとした。
【００５４】
作成した赤外線輻射デバイスを実施例１と同様の方法および評価基準により評価を行った。結果を図２に示す。
【００５５】
【表２】
2015064532.tif 000004
【００５６】
いずれにおいても比較例より向上した結果が得られた。また全体的に実施例１よりも向上した特性が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の赤外線輻射デバイスは、狭帯域の赤外線を出射することができるため、センシング分野における光源としてたいへん有用である。例えば、セキュリティカメラやバイオメトリクスにおける人体認証、建物や物体などの構造物診断、食品・食物検査、細胞構造分析、気体・液体の成分分析などが挙げられる。特に狭帯域の特徴を活かしＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ）比の高い検出ができるため、細胞構造分析などの微細な構造の観察や、気体・液体の成分分析などの微量または微弱信号の検出に有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１    赤外線輻射デバイス
２    改良した赤外線輻射デバイス
３    複数波長の赤外線輻射デバイス
１０    周期構造体
１１    基板
１２    多重量子井戸
１３    熱発生源
１４    発熱層
１５    低熱伝導層
１６    外部光源（熱源）
２０    高熱伝導層
【図１】
2015064532.tif 000005
【図２】
2015064532.tif 000006
【図３】
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