(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体から成る部材に、前記半導体のバンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体を備えた熱輻射光源において、
前記光学構造体は、前記半導体から成る部材を可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な被覆材で被覆する被覆構造を備え、
前記被覆構造の赤外線吸収率が０．１％以下であり、
前記被覆材は、絶縁体である熱輻射光源。
【請求項２】
前記光学構造体は、前記半導体よりも光屈折率の小さな光学基板に、前記部材からなる屈折部を配置したフォトニック結晶構造である請求項１に記載の熱輻射光源。
【請求項３】
前記光学基板は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能である請求項２に記載の熱輻射光源。
【請求項４】
前記被覆材の光屈折率は、前記光学基板の光屈折率よりも大きい請求項２または３に記載の熱輻射光源。
【請求項５】
前記光学構造体は、前記光学基板を可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な被覆材で被覆する被覆構造を備える請求項２〜４のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
【請求項６】
前記被覆構造が、それぞれ異なる光屈折率の被覆材で被覆された多層構造である請求項２〜５のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
【請求項７】
前記被覆材が、前記半導体の融点よりも高い融点の材料である請求項２〜６のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
【請求項８】
前記半導体がＳｉであり、輻射光のピーク波長が１８００ｎｍ以下である請求項２〜７のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
【請求項９】
前記半導体がＳｉＣであり、輻射光のピーク波長が１１００ｎｍ以下である請求項２〜７のいずれか一項に記載の熱輻射光源。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体から成る部材に、前記半導体のバンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体を備えた熱輻射光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、物体を加熱すると、物体を構成する物質及び物体の温度に応じたスペクトルを有する光（電磁波）が放出される熱輻射が生じる。通常、この熱輻射は広い波長帯に亘って強度が分布する、波長分布を有する光が放出される。
【０００３】
近年、このような広い波長分布を有する光ではなく、特定の波長帯において大きい強度を有する光を発する熱輻射光源が求められている。
例えば、太陽電池の分野や、高効率なセンシング用光源の分野が挙げられる。
例えば太陽電池分野の場合、太陽光に含まれる広い波長帯のうち、特定の波長域の光のみが光電変換に寄与し、それ以外の波長の光のエネルギーは損失となる。
そこで、半導体からなり、半導体のバンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成され、輻射光を放出させようとする方向に非対称である光学構造を有する光学構造体を含むフォトニック結晶構造を用いた熱輻射光源を用い、熱エネルギーを特定の波長域の輻射光に変換して、高効率な発電技術に利用する提案がなされている（特許文献１）。
【０００４】
このような、半導体を用いた熱輻射光源は、外部から熱輻射光源に熱を供給すると、半導体においてエネルギーが吸収され、価電子バンドからバンドギャップを越えて伝導バンドへの電子の熱励起が生じる。このような吸収を「バンド間吸収」と呼ぶ。そして、励起された電子がバンドギャップを越えて価電子バンドに遷移することにより、輻射光が生じるものである。この半導体の輻射光は、バンドギャップよりも高いエネルギーを有することとなるため、バンドギャップのエネルギーに対応する波長よりも短い波長を有する。つまり、バンド間吸収により半導体から発せられる輻射光の波長分布は、加熱温度におけるバンドギャップのエネルギーに対応する波長（以下「カットオフ波長」と呼ぶ）よりも短い波長の強度が強くなる特徴を有する。
またこのような、特定の波長域の光で共振するように屈折率分布が形成されたフォトニック結晶構造などの光学構造体を用いた熱輻射光源は、その光の共振により特定の波長域の光を増幅し、その特定の波長域の光を輻射光として得るものである。
この共振および共振する波長を決定するパラメータとしては、光学構造体の物理的形状や、体積の大小に依存する有効屈折率が支配的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１３６６７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような熱輻射光源は、例えば１０００℃以上の高温で使用される。したがって、熱輻射光源の半導体からなる光学構造体は継時的に劣化してしまう。
そこで、光学構造体の継時的な劣化を抑制できる構造の熱輻射光源が望まれる。
【０００７】
本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、輻射光の波長分布をシャープに保ちつつ、光学構造体の継時的な劣化を抑制できる構造の熱輻射光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る熱輻射光源は、半導体から成る部材に、前記半導体のバンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体を備えた熱輻射光源において、
前記光学構造体は、前記半導体から成る部材を可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な被覆材で被覆する被覆構造を備え、
前記被覆構造の赤外線吸収率が０．１％以下であり、
前記被覆材は、絶縁体である点にある。 
【０００９】
上記構成によれば、被覆材は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能であるから、光学構造体の半導体から成る部材を被覆材で被覆した場合にも、この熱輻射光源は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を吸収せず、熱輻射する機能を損なわない。
また、この被覆材から成る被覆構造は、可視光から遠赤外線に含まれる特定の波長の光を吸収せず、さらに、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を被覆構造からは輻射しないから、輻射光の波長分布をシャープに保つことができる。
すなわち、被覆材は、熱輻射光源の熱輻射する機能を損なうことなく、半導体から成る部材を被覆することができる。
【００１０】
このように、被覆材が光学構造体の半導体から成る部材を被覆して、被覆材が半導体から成る部材を外部から隔離するよう保護するため、光学構造体は、その半導体の酸化を免れることができる。例えば、１０００℃以上の温度でも、酸化を抑制することができる。
またこのように、被覆材が光学構造体の半導体から成る部材を被覆して、被覆材が半導体から成る部材を補強するように保護するため、光学構造体の発熱や冷却による、熱膨張や熱収縮に伴う物理的ストレスに対して耐性を増すことができる。
したがって、光学構造体の継時的な劣化を抑制することができる。
【００１２】
上記構成によれば、熱輻射光源の、赤外域における輻射効率を維持した状態で、光学構造体の継時的な劣化を抑制することができる。
【００１４】
被覆材が非絶縁体である場合、光学構造体の半導体から成る部材に被覆材を被覆すると、被覆構造を含めた光学構造体全体の自由電子が増加する。この場合、この自由電子が真性キャリアとなり、自由電子（フリーキャリア）吸収を誘発する。そうすると、半導体バンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも長波長域の広い範囲で輻射（すなわちバックグラウンドの輻射）が増加し、熱輻射光源の輻射光の長波長成分がブロードになってしまう。
しかし、上記構成によれば、光学構造体の半導体から成る部材を絶縁体から成る被覆材により被覆する場合にも、非絶縁体を被覆した場合に比べ、光学構造体の自由電子の増加は抑制されるため、フリーキャリア吸収を抑制し、熱輻射光源の輻射光の波長分布を、半導体バンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも長波長域の広い範囲での輻射が少なく狭帯域な、シャープな波長分布に維持できる。また、輻射光の波長分布がシャープであるから、供給された熱エネルギーが長波長域の輻射によって消費されることを回避して、供給された熱エネルギーを効率よく、所望のピーク波長の輻射光に変換できる。
なお、光学構造体の半導体から成る部材を被覆材により被覆する場合、被覆量に応じてピーク波長は長波長側へシフトする。この場合において、被覆量に応じてピーク波長を維持させたい場合は、光学構造体の半導体から成る部材の質量ないしは体積を被覆量に応じて減少させればよい。
【００１５】
本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記半導体よりも光屈折率の小さな光学基板に、前記部材からなる屈折部を配置したフォトニック結晶構造である点にある。
【００１６】
上記構成によれば、屈折部内に、該屈折部の大きさに対応した波長の定在波が形成される。したがって、光学基板から屈折部が配置された方向に向けて、屈折部から、大きい強度で熱輻射光を放出させることができる。そして、この屈折部が被覆材で被覆されているため、屈折部の継時的な劣化を防ぎ、熱輻射光源の輻射効率を維持した状態で、光学構造体の継時的な劣化を抑制することができる。
【００１７】
本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記光学基板は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能である点にある。
【００１８】
上記構成によれば、この光学基板の光吸収を避けることができ、熱輻射光源の輻射効率を高く維持できる。
【００１９】
本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記被覆材の光屈折率は、前記光学基板の光屈折率よりも大きい点にある。
【００２０】
上記構成によれば、被覆材で被覆された屈折部は、光学基板に対し、屈折部に被覆材を含めた大きさの一体の異屈折率領域となる。そうすると、屈折部に被覆材を含めた領域の大きさに対応した波長の定在波が形成される。
すなわち、被覆材の被覆の厚みによって輻射光源の輻射光のピーク波長を変更することができる。なお、輻射光のピーク波長とは、輻射光の波長分布の波長域で、最も放射の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の大きな波長のことを言う。
【００２１】
本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記光学構造体は、前記光学基板を可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な被覆材で被覆する被覆構造を備える点にある。
【００２２】
上記構成によれば、光学基板の継時的な劣化を抑制することができるので、その結果、光学基板に形成された光学構造体の継時的な劣化を抑制することができる。
【００２３】
本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記被覆構造が、それぞれ異なる光屈折率の被覆材で被覆された多層構造である点にある。
【００２４】
上記構成によれば、材料種を違えた異なる光屈折率の被覆材で多層に被覆して、光学構造体の継時的な劣化をさらに抑制することができる。具体的には、多層構造の内層側の被覆材を、光学構造体の半導体により馴染む材料とし、表層側を熱やストレスに強い材料とすることができる。この場合、被覆構造として、半導体と被覆材との界面の剥離を抑制しつつ、単層の場合よりも、半導体から成る部材を、熱やストレスからより安定して保護することができる。
【００２５】
本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記被覆材が、前記半導体の融点よりも高い融点の材料である点にある。
【００２６】
上記構成によれば、光学構造体の半導体を、光学構造体の半導体よりも熱やストレスに強い高い融点の材料が被覆するため、半導体から成る部材を、熱やストレスから安定して保護することができる。また、半導体の酸化を抑制することができる。
【００２７】
本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記半導体がＳｉであり、輻射光のピーク波長が１８００ｎｍ以下である点にある。
【００２８】
また、本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、前記半導体がＳｉＣであり、輻射光のピーク波長が１１００ｎｍ以下である点にある。
【００２９】
本発明に係る熱輻射光源は、輻射光のピーク波長は、カットオフ波長に近すぎると、熱輻射光の波長分布の長波長側における裾がカットオフされてしまう。したがって、輻射光のピーク波長は、カットオフ波長を大きく超えない方が望ましい。
特に、半導体にはＳｉ（シリコン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いる場合、カットオフ波長は、それぞれ通常の使用環境下で、Ｓｉでは約１７００ｎｍ、３Ｃ−ＳｉＣ（ＳｉＣのうち、「３Ｃ」と呼ばれる立方晶構造を有するもの）では約８００ｎｍである。
したがって、上記構成によれば、実用的な輻射効率を維持した状態で、熱輻射光源から実用的な効率で輻射光を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】熱輻射光源の構造を示す図
【図２】被覆構造を備えない場合の熱輻射光源の波長と放射率の一例を示す図
【図３】被覆構造を備える場合の熱輻射光源の波長と放射率の一例を示す図
【図４】被覆構造を備えない場合の光学構造体の劣化状態の一例を説明する図
【図５】被覆構造を備える場合の光学構造体の劣化状態の一例を説明する図
【図６】被覆構造の状態と輻射光の波長分布の実験データを示す図
【図７】被覆構造の状態と輻射光の波長分布の実験データの拡大図
【図８】被覆構造が二層の場合の熱輻射光源の構造を示す概略構成図
【図９】熱輻射光源の温度とピーク波長の強度および波長分布の実験データを示す図
【図１０】熱輻射光源の温度と特定の波長域の輻射への変換効率の評価データを示す図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１〜図1０に基づいて、本発明の実施形態に係る熱輻射光源について説明する。
【００３２】
まず、本実施形態に係る、半導体から成る部材に、その半導体のバンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体１を備えた熱輻射光源１００の概略構成を、図１を基に説明する。
【００３３】
図１の熱輻射光源１００は、光学構造体１として、半導体から成る部材の屈折部１０と、屈折部１０の半導体よりも光屈折率の小さな光学基板２０とを含んで備える。本例の熱輻射光源１００はさらに、外部からエネルギーを受け取る熱伝導部材９０を備える。
【００３４】
この光学構造体１は、平板状に構成された光学基板２０の輻射光を放出させようとする方向の一方の面に、屈折部１０を正方格子状に配置した非対称な光学構造を有する。したがって、この屈折部１０を備える面が輻射光を放出させる向きになる。なお、屈折部１０の配置は、正方格子状に限られない。
この光学構造体１の光学構造は、いわゆるフォトニック結晶構造とも呼ばれる。
光学基板２０の他方の面には熱伝導部材９０が熱伝導可能に配置されている。
したがってこの熱輻射光源１００は、熱伝導部材９０を経由して供給された熱エネルギーを、光学構造体１で、光学構造体１の光学構造に対応する波長を含む輻射光に変換する機能を有する。
【００３５】
光学構造体１には、屈折部１０と、光学基板２０と、それ以外の機能部とを含み得る。本例の光学構造体１は、それ以外の機能部のひとつとして、屈折部１０の半導体とは別の材質の、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な被覆材で被覆された被覆構造３０を備えている。なお、可視光から遠赤外線に含まれる波長とは、本願においては、少なくとも波長１１００から５０００ｎｍの範囲、好ましくは波長７５０から１００００ｎｍの範囲、さらに好ましくは波長５００から１００００ｎｍの範囲の波長を言う。
したがって、光学構造体１は、屈折部１０、光学基板２０、被覆構造３０を含めて一の光学構造を形成している。
【００３６】
以下、各部の構造について詳述する。
なお、以下で各部を形成する材料等について説明する場合、特に記載無き場合は全て、当該材料等は結晶構造を有する場合を説明する。本願発明の被覆構造３０は、結晶構造の場合に限られず、材料がアモルファスの場合をも含み得るが、本願発明の被覆構造３０は、結晶構造を有する場合に、より高い耐久性を有するため好ましい。
【００３７】
屈折部１０は、半導体で形成される部材に含まれる。半導体には、真性半導体が含まれる。
本例では屈折部１０は、Ｓｉの結晶で形成されている。
屈折部１０として用いることのできる、半導体としては、Ｓi結晶のほかに、ＳｉＣを好適に用いることもできる。なお、ＳiやＳｉＣは真性半導体である。
【００３８】
本例では、輻射光の波長分布のうち、３０００ｎｍ以下の波長域で、最も放射の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の大きな波長のことを言う。
Ｓｉのカットオフ波長は、約１７００ｎｍである。したがって、屈折部１０にＳｉを用いる場合は、輻射光のピーク波長が１８００ｎｍ以下になるように光学構造体１の光学構造を定めるのが好ましい。
ＳｉＣのカットオフ波長は、約８００ｎｍである。したがって、屈折部１０にＳｉＣを用いる場合は、カットオフ波長は、輻射光のピーク波長が１１００ｎｍ以下になるように光学構造体１の光学構造を定めるのが好ましい。
【００３９】
屈折部１０は、本例では、光学基板２０上に突起した状態で、円柱状に形成されている。本例では、光学構造体１は、一の光学基板２０に屈折部１０を備えた、一層でなる光学構造体１の場合を示している。
一例を挙げると、屈折部１０の直径ｄはおよそ２００ｎｍである。また、屈折部１０の高さｈはおよそ５００ｎｍである。屈折部１０は正方格子状に配列され、正方格子の周期長ａ（隣り合うロッドの中心間の距離）はおよそ６００ｎｍである。
【００４０】
光学基板２０は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な基板である。言い換えると、可視光から遠赤外線領域において吸収率を持たない基板である。この光学基板２０は、本例では、平板上に構成されている。
光学基板２０は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な材料で形成されている。本例では、厚さ１μｍのＳｉＯ２（二酸化ケイ素）で形成した例を示している。
光学基板２０に用いる可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な材料としては、たとえば、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム、サファイア）、Ｙ２Ｏ３（酸化イットリア）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＢａＦ２（フッ化バリウム）などを好適に用いることができる。
【００４１】
被覆構造３０は、少なくとも屈折部１０の表面を覆う部材である。本例では、屈折部１０と光学基板２０とが、一層の被覆材でなる一体の被覆構造３０で覆われている。つまり本例では、被覆構造３０は、屈折部１０の表面を被覆する、いわゆる被膜である。
本例では、被覆構造３０には、屈折部１０を覆う部材を被覆部３１として備え、光学基板２０を覆う部材を被覆部３２して備えている。
【００４２】
被覆構造３０は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な被覆材で形成されている。光学構造体１から、輻射光を放出可能とするためである。
輻射光を放出可能とするため、被覆構造３０を形成する被覆材は、赤外線吸収率が０．１％以下である赤外線透過材とするとよい。なお、この赤外線吸収率は、室温（２５℃）における値を言う。また、この赤外線吸収率は、被覆構造３０が被膜の状態で、波長１１００から７０００ｎｍの範囲、好ましくは波長５００から１００００ｎｍの範囲の特性で当該吸収率であることが好ましい。
本例では被覆構造３０を、ＨｆＯ２で形成した例を示している。ＨｆＯ２は、波長５００から１００００ｎｍの範囲の波長の光の吸収率が０．１％以下であり、赤外線透過材として好適である。
【００４３】
被覆構造３０を形成する被覆材の光屈折率は、光学基板２０を形成する材料の光屈折率よりも大きく構成すると好ましい。
本例では、被覆構造３０を形成するＨｆＯ２の光屈折率は１．９１であり、光学基板２０を形成するＳｉＯ２の光屈折率１．４６よりも大きい。
【００４４】
被覆構造３０を形成する被覆材は、絶縁体とすると好ましい。
本例では、被覆構造３０を形成するＨｆＯ２は絶縁体である。
【００４５】
被覆構造３０を形成する被覆材は、被覆材が酸化物である場合、その酸化物が酸化する前の元素の標準ギブスエネルギーが、半導体の標準ギブスエネルギーと同じか、半導体の標準ギブスエネルギーよりも小さいことが好ましい。より好ましくは、その酸化物が酸化する前の元素の標準ギブスエネルギーが、半導体の標準ギブスエネルギーよりも小さいことである。なお、本例では、０℃から１５００℃にかけ酸化物の標準ギブスエネルギーを用いる。
このように被覆材を選択することで、半導体の酸化を抑制して、光学構造体１の継時的な劣化を抑制できる。
【００４６】
被覆構造３０を形成する被覆材の融点は、１２００℃以上であることが好ましい。
本例では、被覆構造３０を形成するＨｆＯ２の融点は、２７５８℃である。
したがって、本例の被覆材の融点は、半導体であるＳｉの融点１４１４℃よりも高くなっている。
【００４７】
被覆構造３０を形成する被覆材として好適なその他の材料としては、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＣａＦ２が例示できる。
これら材料は、被膜の状態である場合に、波長１１００から５０００ｎｍの範囲の波長の光の吸収率が０．１％以下であり、光屈折率が１．４０以上で、さらに絶縁体である。なお、本例でいう絶縁体とは、抵抗率が１０の８乗オームｍ以上の材料を言う。
【００４８】
被覆構造３０は、被覆部３１と被覆部３２とを別々に形成してもよいし、被覆部３１と被覆部３２とを同時に形成してもよい。また、被覆部３２は、必ずしも必要ではない。
被覆構造３０は、すくなくとも被覆部３１を備え、好ましくは被覆部３２を備えるとよい。
【００４９】
なお、被覆構造３０はたとえば、光学構造体１に対して、ＡＬＤ（原子層堆積）やＣＶＤ（化学気相蒸着）に、フォトマスク法やエッチング法、電子線リソグラフィー法、ナノインプリント法などを組み合わせて形成するとよい。屈折部１０のみに被覆構造を形成する場合に比べ、屈折部１０に光学基板２０も含めて光学構造体１の表面を被覆する場合の方が、加工性や経済性に優れており好ましい。
【００５０】
光学構造体１の構造と輻射光の関係を説明する。
光学構造体１はいわゆるフォトニック結晶構造であり、光学構造体１の光学構造に応じた波長と波長分布の輻射光を得ることができる。
本例のような光学構造体１の場合、例えば屈折部１０の直径ｄと、屈折部１０の高さｈと、正方格子の周期長ａを変えることで、輻射光のピーク波長を変更することができる。
【００５１】
本例ではさらに光学構造体１は被覆構造３０を備えているため、被覆構造３０の状態で、光学構造体１の光学構造が変化する。したがって、屈折部１０の直径ｄと、屈折部１０の高さｈに対し、さらに被覆構造３０のうち、屈折部１０を被覆する被膜である被覆部３１の厚みである膜厚ｔを考慮する必要がある。
【００５２】
光学構造体１では、光学基板２０を含む周囲よりも光屈折率が高い屈折部１０に沿って、輻射光が屈折部１０の高さｈの方向に伝搬する。そして、この光が屈折部１０の下端及び上端において反射されることにより、定在波が生じ、光の共振状態が形成される。
この共振により、特定波長の光が増幅されて、特定の波長にピークを有する輻射光として外部に放出される。
したがって、高さｈが高くなると、輻射光のピーク波長の強度は増加する。
【００５３】
さらに光学構造体１が被覆構造３０を含む場合、光学構造体１では、光学基板２０を含む周囲よりも光屈折率が高い屈折部１０と被覆部３１とに沿って、輻射光が屈折部１０と被覆部３１との高さｈの方向に伝搬する。そして、この光が屈折部１０の下端及び屈折部１０の上端に被覆された被覆部３１の上端において反射されることにより、定在波が生じ、光の共振状態が形成される。
この共振により、特定波長の光が増幅されて、特定の波長にピークを有する輻射光として外部に放出される。
したがって、高さｈが高くなり、また膜厚ｔが厚くなると、輻射光のピーク波長の強度は増加する。
【００５４】
輻射光のピーク波長と屈折部１０の直径ｄとの関係について補足する。
定在波の波長は、屈折部１０の高さｈに依存すると共に、光が屈折部１０からしみ出すと有効屈折率が変化することから、屈折部１０の直径ｄにも依存する。
直径ｄが大きくなると、光学構造体１の有効屈折率は大きくなる。したがって、直径ｄが大きくなると、輻射光のピーク波長は長くなる。
【００５５】
さらに被覆構造３０を含む場合、光学構造体１の有効屈折率は被覆部３１の厚みに応じて大きくなる。
したがって、膜厚ｔが大きくなると、輻射光のピーク波長は長くなる。
【００５６】
なお、屈折部１０の周期長ａの相違は、有効屈折率の相違という点で加熱温度における共振波長に影響を及ぼすが、屈折部１０の直径ｄの相違による影響ほど大きいものではない。
屈折部１０の周期長ａが短すぎると、屈折部１０間で電磁界分布の重なりが大きくなって相互作用が生じ、それにより、光の出射角度に依存して共振波長が変化するという影響が生じてしまう。
一方、該周期長ａが輻射光の波長よりも長くなると、高次の回折が生じることで一つの共振モードからの輻射が複数の方向に発生する。よって周期長ａは、各ロッドからの電磁界のしみ出し距離よりも大きく、且つ、発光波長よりも小さくすることが望ましい。
【００５７】
本例の場合、屈折部１０の直径ｄ、高さｈ、周期長ａおよび膜厚ｔの好ましい範囲は以下である。
直径ｄの好ましい範囲は５０〜３００ｎｍである。直径ｄが小さすぎる場合には、光学構造体１の耐久性が損なわれる。また、輻射光の輻射の強度が小さくなりすぎる。直径ｄが小さすぎる場合には、大きすぎる場合には、長波長側の自由電子由来のバックグラウンドの輻射が増加する。
高さｈの好ましい範囲は５０〜１０００ｎｍである。高さｈは所望の輻射光のピーク波長の長さに応じて決定する。
周期長ａの好ましい範囲は２０〜１６００ｎｍである。周期長ａが短すぎると、屈折部１０間で電磁界分布の重なりが大きくなって相互作用が生じ、それにより、光の出射角度に依存して共振波長が変化するという影響が生じてしまう。一方、周期長ａが発光波長よりも長くなると、高次の回折が生じることで一つの共振モードからの輻射が複数の方向に発生する。よって周期長ａは、各屈折部１０からの電磁界のしみ出し距離よりも大きく、且つ、輻射光のピーク波長よりも小さくすることが望ましい。
また、膜厚ｔは２〜２００ｎｍである。膜厚ｔは１０〜５０ｎｍが好ましく、このうち特に２５〜５０ｎｍが好適である。膜厚ｔは小さすぎると屈折部１０などを外部から保護する機能が損なわれるし、大きすぎる輻射光のピーク波長が長くなりすぎることがある。
【００５８】
熱伝導部材９０は、熱輻射光源１００に供給される熱エネルギーを外部から受け取り、光学構造体１に熱エネルギーを供給する部材である。
本例では、熱伝導部材９０は光学基板２０に熱伝導可能に密接している。屈折部１０は、光学基板２０を介して熱伝導部材９０で受け取った熱エネルギーを受け取り、輻射光を発する。つまり、熱伝導部材９０で受け取った熱を、屈折部１０で輻射光に変換する。
【００５９】
熱伝導部材９０は赤外透明ガラスを用いるのが好適である。
熱伝導部材９０として好適な赤外透明ガラスとしてはたとえば、ＭｇＯ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、サファイア、アルミニウムナイトライド、ガリウムナイトライド、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ジンクセレン、フッ化バリウムなどを用いることができる。このうち、特にＭｇＯやサファイアがコストと耐久性で優れている。
また、熱伝導部材９０の厚みは、１０μｍ〜３ｍｍ程度に構成される。本例では、サファイアを０．５ｍｍで用いている。ＳｉＣを用いる場合はたとえば５０μｍ程度にする。
【実施例】
【００６０】
以下、実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下の実施例では、熱輻射光源１００が被覆構造３０を備える場合と、被覆構造３０を備えない場合を比較しながら、被覆構造３０の効果を説明する。
また、以下の実施例では、特に断りなき場合、熱輻射光源１００が以下の構成である場合について述べるものとする。熱輻射光源１００の光学構造体１は、半導体であるＳｉからなる屈折部１０と、屈折部１０の半導体よりも光屈折率の小さなＳｉＯ２から成る光学基板２０とを備えている。また、本例の熱輻射光源１００はさらに、サファイアからなる熱伝導部材９０を備える。
まず、被覆構造３０の効果と劣化について、図２〜５を用いて説明する。
【００６１】
（比較例１）
図２は、被覆構造３０を備えない場合の、熱輻射光源１００の輻射光を評価した評価例である。図２は、放射率Ｅ（Ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）と輻射光の波長λの分布との関係を示している。以後、特に説明の無い場合、各図中でＥは放射率を意味し、図中でλは波長を示すものとする。
図２の評価例の条件等を説明する。熱輻射光源１００の温度は１０００℃である。また、屈折部１０の直径ｄは２２５ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍである。被覆構造３０を備えないため、膜厚ｔはゼロである。
【００６２】
図３は、図２で示した熱輻射光源１００の劣化を評価した評価例である。図２中、α１は、熱輻射光源１００の温度が１０００℃の場合の、劣化前の輻射光の波長スペクトルを示す。α２は、熱輻射光源１００の温度が１０００℃の場合の、劣化後の輻射光の波長スペクトルを示す。なお、劣化条件は、１１００℃で３０分保持、である。
【００６３】
（実施例１）
図４は、絶縁体であるＨｆＯ２を、被覆構造３０を形成する被覆材として備える場合の評価例を示す。図４は、図２と同様に、放射率Ｅと輻射光の波長λの分布の関係を示している。
図４の評価例の条件等を説明する。熱輻射光源１００の温度は１０００℃である。また、屈折部１０の直径ｄは２０５ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍである。被覆構造３０の膜厚ｔは２５ｎｍである。
【００６４】
図５は、図４で示した熱輻射光源１００の劣化を評価した評価例である。図４中、β１は、熱輻射光源１００の温度が１０００℃の場合の、劣化前の輻射光の波長スペクトルを示す。β２は、熱輻射光源１００の温度が１０００℃の場合の、劣化後の輻射光の波長スペクトルを示す。なお、劣化条件は、１１００℃で３０分保持、である。
【００６５】
比較例１および実施例２の結果より、被覆構造３０を備える場合の効果は、以下のように判断できる。
まず、図２、４から、以下の評価が可能である。
実施例１のように被覆構造３０を備える場合にも、比較例１の場合のように被覆構造３０を備え無い場合にも熱輻射光源１００は１１００ｎｍ以下で輻射し、１１００ｎｍより大きい波長域では輻射を発しない特徴は変わらない。つまり、望まない波長の輻射光が増加するような不利益は無い。
【００６６】
また、図３、５から、以下の評価が可能である。
実施例１および比較例１の双方とも、劣化前（α１、β１）に比べて劣化後（α２、β２）は、輻射光の波長スペクトルは短波長側にシフトした。
しかし、実施例１のように被覆構造３０を備える場合は、比較例１の場合のように被覆構造３０を備え無い場合よりも、劣化前後での波長スペクトルの変化が小さい。つまり、実施例１のように被覆構造３０を備える場合は、比較例１の場合のように被覆構造３０を備え無い場合よりも、屈折部１０が被覆構造３０で保護されているため、劣化の進行が抑制されている、と判断される。つまり熱輻射光源１００の耐熱性が向上したと考えられる。
なお、耐熱性が向上すると、熱輻射光源１００の温度がより高い状態で使用される場合に、長波長側のバックグラウンドの輻射が、相対的に減少するものと想定される。
【００６７】
実施例１および実施例２の結果について補足する。
比較例１の劣化後の屈折部１０の直径ｄは２１０ｎｍであり、劣化前に比べて１５ｎｍも減少した。
実施例１の劣化後の屈折部１０の直径ｄは２００ｎｍであり、劣化前に比べて５ｎｍ減少にとどまった。
この結果からも、実施例１のように被覆構造３０を備える場合は、比較例１の場合のように被覆構造３０を備え無い場合よりも、劣化の進行が抑制されている、と判断される。  つまり、熱輻射光源１００の耐熱性が向上したと考えられるため、熱輻射光源１００の温度がより高い状態で使用される場合に、長波長側のバックグラウンドの輻射が、相対的に減少するものと想定される。
【００６８】
次に、被覆構造３０の効果について、図６、７を用いて補足する。
図６、７は、熱輻射光源１００が被覆構造３０を備える場合と、被覆構造３０を備えない場合の、それぞれ熱輻射光源１００の温度が１０００℃である場合の、輻射強度Ｉ（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）と波長λとの関係を示す評価例である。
【００６９】
まず、図６、７の評価例について説明する。
図６、７中、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ比較例２、実施例２、実施例３、比較例３に対応する。以下、それぞれについて詳述する。
【００７０】
（比較例２）
Ａは、屈折部１０の直径ｄは２００ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍである。被覆構造３０を備えないため、膜厚ｔはゼロである。輻射光のピーク波長は、およそ９２０ｎｍ付近にある。
【００７１】
（実施例２）
Ｂは、屈折部１０の直径ｄは２００ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍである。被覆構造３０を形成する被覆材としてＨｆＯ２を備え、膜厚ｔは５０ｎｍである。つまりＢは、比較例２のＡに対してさらに被覆構造３０を厚く形成した例である。
被覆構造３０を備えることで、輻射光のピーク波長はＡよりも長波長側へシフトしている。輻射光のピーク波長は、およそ９７０ｎｍ付近にある。光学構造体１の有効屈折率が膜厚ｔに応じて大きくなったためである。
【００７２】
（実施例３）
Ｃは、屈折部１０の直径ｄは２００ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍである。被覆構造３０を形成する被覆材として、絶縁体であるＨｆＯ２を備え、膜厚ｔは２５ｎｍである。つまりＣは、比較例２のＡに対してさらに被覆構造３０を薄く形成した例である。
被覆構造３０を備えることで、輻射光のピーク波長はＡよりも長波長側へシフトしている。輻射光のピーク波長は、およそ９５０ｎｍ付近にある。光学構造体１の有効屈折率が膜厚ｔに応じて大きくなったためである。しかし、実施例２のＢに比べると、膜厚ｔが薄いため、輻射光のピーク波長の長波長側へシフト量は、やや小さい。
【００７３】
（比較例３）
Ｄは、屈折部１０の直径ｄは２２０ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍである。被覆構造３０を備えないため、膜厚ｔはゼロである。
つまりＤは、比較例２のＡに対してさらに屈折部１０の直径ｄを太く形成した例である。
直径ｄを太く形成することで、輻射光のピーク波長はＡよりも長波長側へシフトしている。輻射光のピーク波長は、およそ９５０ｎｍ付近にある。光学構造体１の有効屈折率が直径ｄに応じて大きくなったためである。輻射光のピーク波長の長波長側へシフト量は、実施例２のＢや、実施例３のＣと同程度である。しかし輻射光の輻射強度は長波長側で増加して、波長分布はブロードに変化した。具体的には、１１００ｎｍ以上の輻射光の強度が増大した。自由電子吸収由来のバックグラウンドの輻射が増加したためと思われる。
【００７４】
また、図６、７から、比較例２、実施例２、実施例３、比較例３について、以下の評価が可能である。
直径ｄが大きくなるか、膜厚ｔが厚くなる場合に、輻射光のピーク波長は長波長側へシフトする。
しかし、同程度の大きさ、ピーク波長を長波長側にシフトさせる場合、半導体であるＳｉからなる屈折部１０の直径ｄを大きくする場合（比較例３の場合）よりも、絶縁体であるＨｆＯ２を被覆材として被覆構造３０を備える場合（実施例２、３の場合）の方が、輻射光の波長分布は、長波長側も含めてシャープである。
したがって、絶縁体であるＨｆＯ２を被覆材として被覆構造３０を備えると、自由電子吸収由来と思われる長波長側のバックグラウンドの輻射の強度を小さくし、輻射光の波長分布をシャープに維持した状態で、例えばピーク波長を長波長側にシフトさせるなどの任意の制御をできる。
【００７５】
比較例１〜３、および実施例１〜３の比較結果を総括する。
本実施例の熱輻射光源１００は、赤外線透明ガラスであり、絶縁体であり、光学基板２０を形成するＳｉＯ２よりも光屈折率の大きなＨｆＯ２を被覆材とした被覆構造３０を備える場合、この被覆構造３０を備えない場合に比べて、劣化を抑制された耐久性が高くなる。したがって、熱輻射光源１００の温度がより高い状態で使用される場合に、長波長側のバックグラウンドの輻射が、相対的に減少ものと想定される。
また、自由電子吸収に由来すると考えられる、長波長域のバックグラウンドの輻射を減少させて、シャープな波長分布を有する輻射を得ることができるため、外部から受け取ったエネルギーを所望の波長ピークの輻射光に変換する効率が高くなる。
このような熱輻射光源１００は、例えば太陽電池用の光源に用いた場合には高い発電効率を得られるし、センサ用の光源として用いた場合には、省電力で高精度のセンサを得ることができる。
【００７６】
（実施例４）
上述の実施例１〜３では、被覆構造３０として、ＨｆＯ２を用いた場合を示したが、赤外線透明ガラスであり、絶縁体であり、光学基板２０を形成するＳｉＯ２よりも光屈折率の大きなＡｌ２Ｏ３を被覆材とした被覆構造３０を備える場合にも、実施例１〜３と同様の効果を得ることができる。なお、Ａｌ２Ｏ３の光屈折率は約１．７５である。
輻射光の波長分布を示すグラフは割愛するが、屈折部１０の直径ｄは２００ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍとし、被覆構造３０を形成する被覆材としてＡｌ２Ｏ３の膜厚ｔを５０ｎｍとした場合、輻射光のピーク波長は比較例２のＡよりも長波長側へシフトし、輻射光のピーク波長は、およそ９５０ｎｍ付近にあった。やはり、光学構造体１の有効屈折率が膜厚ｔに応じて大きくなったためである。
なお、Ａｌ２Ｏ３の融点は２０７２℃であるため、Ａｌ２Ｏ３を被覆材とした被覆構造３０を備える場合にも、屈折部１０は保護されて、劣化の進行が抑制されることは言うまでもない。また、加熱可能温度が上昇し、バックグラウンドの輻射を抑制できることも言うまでもない。
【００７７】
半導体の酸化と、バックグラウンドの輻射について図９、１０を用いて補足する。
本例の熱輻射光源１００は、半導体の酸化を抑制しているため、以下の効果も得られる。
熱輻射光源１００を高温で使用すると、その使用雰囲気に酸素が含まれる場合、その酸素によって熱輻射光源１００の半導体が酸化される。この酸化が始まる温度が熱輻射光源の加熱できる温度の上限となる。しかし、被覆構造３０を備えると光学構造体１の加熱可能な温度が向上する。
【００７８】
したがって、通常は所定の温度以上に高い温度で熱輻射光源１００を用いることはできない。しかし、本例の熱輻射光源１００は、耐熱性が向上しているため、使用温度を上昇させて、さらにバックグラウンドの熱輻射の抑制し、所定の波長域の輻射光への変換効率を高めることが可能となる。
なお、本例において、所定の波長域の輻射光への変換効率とは、熱輻射光源１００による輻射光の全波長域のうち、所望の波長域の輻射光のエネルギーの割合を言う。
【００７９】
（実施例５）
以下、本例の熱輻射光源１００の温度と、ピーク波長の強度の評価実験例の実験データを図９に示す。また、本例の熱輻射光源１００の温度と、所定の波長域の輻射光への変換効率の評価例の評価データ（図１０）を示す。なお、特に説明しない場合は、図９、１０における記号や熱輻射光源１００の構成は、他の例と同じである。
なお、以下の例では、屈折部１０の直径ｄは２００ｎｍ、高さｈは５００ｎｍ、周期長ａは６００ｎｍである。被覆構造３０の膜厚ｔは２５ｎｍである。
【００８０】
図９は、３つの温度下における、輻射光の波長λと輻射強度Ｉの関係を示す。
Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃはそれぞれ、１３００Ｋ、１４５０Ｋ、１６００Ｋの温度下での熱輻射光源１００の輻射光の強度の分布を示す。なお、Ｋは絶対温度のケルビンを意味する。
図９に示すように、熱輻射光源１００の温度が高くなると、輻射光の強度は大きくなる。また、輻射光のピーク波長の強度は他の波長域に対して相対的により上昇し、輻射光の波長分布はシャープになる。
【００８１】
図１０は、図９の３つの評価に対応した評価データである。図１０は、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃの、１１００ｎｍ未満の波長域の輻射への変換効率Ｃを示す。
図１０より、温度が上昇すると、変換効率Ｃの値は上昇し、熱輻射光源１００による輻射光の全波長域のうち、所望の波長域の輻射光であるの１１００ｎｍ未満の波長の輻射光が効率よく得られることが分かる。
【００８２】
［別実施形態］
（１）
上記実施形態では、被覆構造３０が一層の被覆材でなる被覆部で形成される例を示したが、被覆構造３０はそれぞれ異なる光屈折率の複数の被覆材でなる被覆部で形成してもよい。例えば図８のように、屈折部１０の被覆構造３０を、被覆部３１と、被覆部３１とは異なる光屈折率の第二被覆部３３で構成することもできる。
この場合、第二被覆部３３の材料の光屈折率は、被覆部３１の材料の光屈折率よりも小さくなる組み合わせが好適である。図８の場合には、例えば被覆部３１がＨｆＯ２である場合に、第二被覆部３３として、サファイアを用いると好適である。
このようにすると、輻射光の長波長側のバックグラウンドの輻射が抑制されて、波長分布がブロードにならず、輻射光の波長分布をシャープに維持できる。
【００８３】
また、被覆構造３０はそれぞれ異なる融点の複数の被覆材でなる被覆部で形成してもよい。とくに、第二被覆部３３の材料の融点は、被覆部３１の材料の融点よりも大きくなる組み合わせが好適である。このようにすると、半導体の酸化を抑制することができる。
【００８４】
図８の場合には、例えば被覆部３１がＨｆＯ２である場合に、第二被覆部３３として、サファイアを用いると好適である。ＨｆＯ２の融点は２７５８℃で、サファイアの融点はＡｌ２Ｏ３として、２０７２℃である。被覆構造３０の表層側（被覆部３１）の融点が高い場合に、被覆構造３０の耐熱性が高くなり、被覆構造３０の内層側（第二被覆部３３）の融点が表層側（被覆部３１）に対して相対的に低い場合に、屈折部１０の半導体と被覆構造３０との界面の結合力が高くなり、屈折部１０と被覆構造３０とが一の構造体としてより高い強度が得られる。つまり、被覆構造３０をいわゆる傾斜材料とする。
【００８５】
なお、とくに半導体としてＳｉを用いる場合に、サファイアを用いると、ＨｆＯ２とＳｉとの反応を抑制することができる。なお、反応とは、ＨｆＯ２に含まれる酸素によるＳｉの酸化や、ＨｆＯ２とＳｉとの相溶や固相拡散を言う。
【００８６】
なお、被覆構造３０を、被覆部３１と、被覆部３１とは異なる光屈折率の第二被覆部３３で構成する場合、第二被覆部３３を形成する被覆材は、被覆材が酸化物である場合、その酸化物が酸化する前の元素の標準ギブスエネルギーが、被覆部３１の被覆材の標準ギブスエネルギーよりも小さいことが好ましい。なお、本例では、０℃から１５００℃にかけ酸化物の標準ギブスエネルギーを用いる。
このように第二被覆部３３の被覆材を選択することで、半導体の酸化を抑制して、光学構造体１の継時的な劣化を抑制できる。
なお、被覆構造３０は、上記のような二層の場合に限られず、三層以上の多層構造とすることもできる。
【００８７】
（２）
上記実施形態では、輻射光のピーク波長は直径ｄ、高さｈ、周期長ａおよび膜厚ｔで決定されることを説明した。
上記実施形態において、光学構造体１の光学構造は、まず直径ｄ、高さｈ、周期長ａを定めて決定するのであるが、輻射光のピーク波長を長波長側へシフトさせる微調整を行う場合に、被覆構造３０の膜厚ｔを厚くして、輻射光のピーク波長を長波長側へシフトさせることもできる。言い換えると、輻射光のピーク波長を長波長側へシフトさせるために、被覆構造３０を設けて、膜厚ｔを調整し、所望のピーク波長の輻射光を得ることもできる。
図６、７で示したように、輻射光のピーク波長を２００ｎｍ程度までの範囲で、長波長側へシフトさせる場合には、直径ｄを調整する場合に比べて、長波長側がブロードにならず、半導体バンドギャップに対応する吸収端に対応する波長よりも長波長域の広い範囲での輻射が少ない状態の、バックグラウンドの熱輻射が抑制された、シャープな波長分布に維持できるため好適である。
【００８８】
（３）
上記実施形態では、光学構造体１の表面が、一体の被覆構造３０で覆われている場合を示したが、被覆構造３０は、被覆部３１と被覆部３２とが別々に構成されていてもよい。また、被覆構造３０のうち、特に屈折部１０を覆う構造部を被覆部３１のみを備える構成でも構わない。
【００８９】
（４）
上記実施形態では、光学構造体１の表面が、一体の被覆構造３０で覆われている場合を示したが、被覆構造３０は、被覆部３１と被覆部３２とが別々に構成されていてもよい。また、被覆構造３０のうち、特に屈折部１０を覆う構造部を被覆部３１のみを備える構成でも構わない。
【００９０】
（５）
上記実施形態では、光学構造体１は、一の光学基板２０に屈折部１０を備えた、一層でなる二次元状の光学構造体１の場合を示したが、光学構造体１は、複数の光学基板２０のそれぞれに屈折部１０を備えた、三次元状の光学構造体１である構成でも構わない。
【００９１】
（６）
上記実施形態では、被覆構造３０の厚みが膜厚ｔである場合を示したが、被覆構造３０は、被覆部３１の厚みである膜厚ｔ３１と被覆部３２の厚みである膜厚ｔ３２とが別々の膜厚に構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、熱光発電や高効率のセンシング用の光源として有用に用いることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１        ：光学構造体
１０      ：屈折部（部材）
２０      ：光学基板
３０      ：被覆構造
３１      ：被覆部
３２      ：被覆部
３３      ：第二被覆部
１００    ：熱輻射光源
【図１】
0006671654.tif 000002
【図２】
0006671654.tif 000003
【図３】
0006671654.tif 000004
【図４】
0006671654.tif 000005
【図５】
0006671654.tif 000006
【図６】
0006671654.tif 000007
【図７】
0006671654.tif 000008
【図８】
0006671654.tif 000009
【図９】
0006671654.tif 000010
【図１０】
0006671654.tif 000011