(57)【要約】  ブラックシリコンなどの不規則半導体構造から生成された光学的放射源が提供されている。この光学的放射源は、半導体基板と、この半導体基板にエッチングされた不規則半導体構造と、この不規則半導体構造に近接して配置され、不規則半導体構造が熱赤外線放射を出射する温度にこの不規則半導体構造を加熱するように構成した加熱素子を具える。【選択図】図１
2018533812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的放射源において、
半導体基板と：
前記半導体基板内にエッチングした不規則半導体構造と；
前記不規則半導体構造に近接して配置した加熱素子であって、前記不規則半導体構造が熱赤外放射を出射する温度に前記不規則半導体構造を加熱するように構成された加熱素子と；
を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造がブラックシリコン構造を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項３】
請求項２に記載の光学的放射源において、前記ブラックシリコン構造の表面が高濃度にドープされていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項４】
請求項２に記載の光学的放射源において、前記ブラックシリコン構造が、単結晶シリコンでできた複数の針を具え、当該複数の針が平均高さと平均幅を有し、前記複数の針のアスペクト比が前記平均幅で割った前記平均高さに等しいことを特徴とする光学的放射源。
【請求項５】
請求項４に記載の光学的放射源において、前記複数の針のアスペクト比が５より大きいか、５に等しいことを特徴とする光学的放射源。
【請求項６】
請求項４に記載の光学的放射源において、前記複数の針の各々が、スパイク、円柱、ピラミッド又は円錐に対応する形状を有することを特徴とする光学的放射源。
【請求項７】
請求項４に記載の光学的放射源において、前記ブラックシリコン構造の曲線因子が、前記複数の針のヘッドから前記複数の針の基部へ徐々に大きくなることを特徴とする光学的放射源。
【請求項８】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記半導体基板がシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハを具え、当該ＳＯＩウエハが：
デバイス層と；
ハンドル層と；
前記デバイス層と前記ハンドル層の間に配置した絶縁層と；
を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項９】
請求項８に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造が、前記デバイス層の中につくられていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学的放射源において、前記ヒータが前記デバイス層の上に配置されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１１】
請求項９に記載の光学的放射源において、前記ヒータが前記ハンドル層内の前記絶縁層の上に配置されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１２】
請求項９に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造が前記デバイス層の上で熱的に隔離されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１３】
請求項８に記載の光学的放射源において、前記絶縁層が、埋め込み酸化物、ガラス、又は窒化物を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１４】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造が、エミッタアレイを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１５】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造が、前記半導体基板と面内の熱ＩＲ放射を出射するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１６】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造が、前記半導体基板と面外の熱ＩＲ放射を出射するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１７】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記加熱エレメントが、抵抗加熱を使用しており、電流が前記半導体基板の面外の加熱エレメント内を伝わることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１８】
請求項１に記載の光学的放射源が更に：
前記不規則半導体構造に接続され、前記不規則半導体構造を移動させるように構成されたアクチュエータを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１９】
請求項１に記載の光学的放射源がさらに、前記不規則半導体構造を封入する中空の導波路を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２０】
請求項１に記載の光学的放射源がさらに、前記不規則半導体構造に光学的に接続され、前記不規則半導体構造から出射された前記熱ＩＲ放射を方向付けるように構成されている、少なくとも一の光学部品を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２１】
請求項２０に記載の光学的放射源において、前記光学部品が、前記不規則半導体構造からの面内放射を反射して前記不規則半導体構造に戻して吸収し、それを加熱するように構成された筒状ミラーを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２２】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記半導体基板が曲面を具え、前記不規則半導体構造が当該曲面内につくられていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２３】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造がシリコンとブラックシリコンが交互になった同心リングを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２４】
請求項１に記載の光学的放射源がさらに、前記半導体基板の上に配置され、前記不規則半導体構造に光学的に接続されているフィルタを具え、当該フィルタが、前記熱ＩＲ放射の第１部分を伝送し、前記熱ＩＲ放射の第２部分を反射して前記不規則半導体構造に戻して吸収し、それを加熱するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２５】
請求項２４に記載の光学的放射源において、前記フィルタが、複数の直列に接続したブラッグミラーを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２６】
請求項２５に記載の光学的放射源において、前記フィルタがさらに、前記熱ＩＲ放射の中心波長を調整するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２７】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則半導体構造が、前記熱ＩＲ放射の回折格子効果を誘発するように構成された複数のドーピングした領域を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２８】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記光学的放射源が、マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ＭＥＭＳ）光学干渉計とモノシリックに一体化されており、前記熱赤外線放射を前記ＭＥＭＳ光学干渉計に向けるように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２９】
請求項１に記載の光学的放射源が更に：
前記加熱素子を駆動する回路と；
前記回路に接続され、前記温度を検出して、フィードバック信号を前記回路に提供して温度を安定化させるように構成されたプロセッサと；
を具えることを特徴とする光学的放射源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連特許のクロスリファレンス］
本ＰＣＴ国際特許出願は、以下の特許出願の優先権を主張するものであり、これらの出願は、全体として引用により本明細書に組み込まれ、実際には本ＰＣＴ国際特許出願の一部を成している。
１．米国暫定出願第６２／１９１，２５４号「Structured Silicon-Based Thermal Emitter」（代理人登録番号ＳＩＷＡ−１０２３ＰＲＯＶ）２０１５年７月１０日出願、出願係属中。
２．米国特許出願第１５／２０３，７７３号「Structured Silicon-Based Thermal Emitter」（代理人登録番号ＳＩＷＡ−１０２３）２０１６年７月６日出願、出願係属中。
【背景技術】
【０００２】
本発明の態様は、一般的に、光学的放射源に関し、特に、シリコンベースの熱エミッタに関する。
【０００３】
関連技術の説明
従来の熱光源は、発光材料を加熱することによって光子を生成する熱エミッタを用いている。このような熱エミッタは、通常、広域ラジエータであるその出力スペクトル放射輝度が、波長と、加熱した材料の絶対温度と、この元素の放射率の関数であり、これらはすべて、プランクの法則に従っている。連続する近赤外線から中赤外線（ＮＩＲ）放射の理想的な源は、高温の黒体である。温度Ｔにおける黒体源からのスペクトル輝度Ｕλ（例えば、波長λにおけるステラジアン当たりの波長当たりの単位面積当たりの電力潮流）は、プランクの式（Ｗ／ｍｍ２．μｍ．ｓｒ）で与えられる：
2018533812.tif 000003
ここで、真空中で、Ｃ１＝１１．９（Ｗ．μｍ４／ｍｍ２．ｓｒ）であり、Ｃ２＝１４３９０μｍ．Ｋであり、Ｔは放射体の絶対温度、及びλは波長である。したがって、プランクの式によれば、どのような特定の波長範囲に対しても、放射輝度は温度に応じて高くなる。
【０００４】
黒体は完全なエミッタであり、放射線吸収体である。また、発光方向に垂直な単位面積につきすべての方向において均一に放射する。しかしながら、実際の理想的でない源は、黒体の放射特性より放射特性が劣る。したがって、源の放射率（０≦ε≦１）は、同じ温度で黒体から放射された放射線に対する、表面で放射された放射線の比で表すことができ、その放射特性は温度、波長、及び放射する放射線の方向によって変化することがある。
【０００５】
放射線束がある表面に入射するとき、入射放射線束は通常、照射と呼ばれ、その表面で照射の一部は吸収され、一部は反射され、残りが透過する。吸収率αは、表面で吸収された照射の一部である。キルヒホッフの法則は、温度Ｔにおける表面の放射率は、同じ温度における黒体からの放射の層吸収率に等しいとしている。
【０００６】
現在入手可能なほとんどの熱放射製品は、低ＮＩＲ又はＮＩＲスペクトルレンジで使用する特定のガラスバルブを伴う黒体に近いフィラメント白熱光源をベースにしている。この動作温度は、このガラスと、バルブ内の不活性ガスにより２０００−３０００Ｋにも達する。これらのフィラメントのスペクトル放射は、ガラスがこのリミットを超える波長を吸収するため、最大４μｍになる。しかしながら、このようなガラスバルブベースのフィラメント白熱光源のパッケージのジオメトリは、いくつかのアプリケーションで問題となることがある。
【０００７】
ガラスバルブのないフィラメント白熱光源も、いくつかのアプリケーションで入手可能である。オープン環境で動作する際、この温度は通常６００−９００Ｋに制限されており、所定のフィラメント表面積に対して低い発光パワーとなる。温度を上げるためには、フィラメントが所望の波長レンジで透明窓で密封することができる。例えば、フッ化カルシウムの窓を最大８μｍの波長に使用することができる。しかしながら、このような白熱光源は、光通信アプリケーションにおけるデバイスの最小化やバッチ製造に適合しない。
【０００８】
マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）シリコンテクノロジーは、電子、機械、及び光学システムを一つのチップに集積する高価な基板である。単結晶シリコン材料は、純度が高く、良好な表面品質と、赤外線レンジにおける広いスペクトル幅をこえる透明性を含む、非常に確立された光学特性を有している。さらに、シリコンは、熱的、機械的、及び熱弾性特性に優れている。さらに、シリコンデバイスの設計及び製造に優れたフレキシビリティがあり、非常に確立されたマイクロ加工技術をうまく利用している。
【０００９】
したがって、平面シリコン構造で形成した熱源が、中赤外線用に開発された。これらの源は、通常、シリコン基板に作成された薄膜構造からなる。抵抗加熱素子をシリコン基板上に一体化して、放射領域を加熱するようにしてもよい。これらのＭＥＭＳ熱源は、基板が非常に薄く作られている結果、熱質量が低いため、電力消費が小さい。
【００１０】
ＭＥＭＳ源は、さらに、表面粗さを増やすことによって大きな波長レンジにわたって良好な放射熱を提供するのに最適化することができる。例えば、白金黒又は銀黒をシリコンエミッタの表面に蒸着させて、表面粗さを増やすことができる。別の例として、シリコンのフォトニック結晶の深いキャビティをシリコン基板上に作成して、表面粗さを増やすことができる。このような周期的構造、光リソグラフィを行い、次いで電気化学エッチングと酸化によって、多孔性シリコンの安定したキャビティを形成することで得ることができる。しかしながら、放射率のスペクトル応答は、孔のサイズによって有意に変わり、キャビティの周期性が、放射率に鋭いディップラインを作る。さらに、この放射はすべてのアプリケーションに使用できない広い波長レンジをカバーしており、そのため、欠陥を呈している。したがって、必要なことは、表面積と広い放射帯域を超えて放射率を最小にした、最小化した調整可能な熱エミッタである。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の様々な態様は、ブラックシリコンなどの不規則半導体物質から作った光学的放射源を提供している。この光学的放射源は、半導体基板と、この半導体基板にエッチングした不規則半導体構造と、不規則半導体構造近傍に配置され、不規則半導体構造を、不規則半導体構造が熱赤外放射線を放射する温度に加熱するように構成した加熱素子と、を具える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付の図面と合わせて以下の詳細な説明を参照することによって、本発明のより完全な理解を得ることができる。
【図１】図１は、本発明の実施例による、光学的放射源の例示的な構成要素を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施例による、ブラックシリコン構造の例示的構造を示す図である。
【図３】図３Ａ−３Ｃは、本発明の実施例による、光学的放射源の構成要素の例示的構成を示す図である。
【図４】図４Ａ−４Ｃは、本発明の実施例による、光学的放射源の構成要素の別の例示的構造を示す図である。
【図５】図５Ａ−５Ｅは、本発明の実施例による、光学的放射源の不規則半導体構造と加熱素子の例示的形状を示す図である。
【図６】図６Ａ−６Ｆは、本発明の実施例による、熱赤外線放射を方向付ける光学的構成要素を具える光学的放射源の例示的構成を示す図である。
【図７】図７Ａ及び７Ｂは、本発明の実施例による、熱赤外線放射の方向性を制御する不規則半導体構造の例示的構成を示す図である。
【図８】図８Ａ及び８Ｂは、本発明の実施例による、熱赤外線放射の方向性を制御する不規則半導体構造の別の構成を示す図である。
【図９】図９Ａ及び９Ｂは、本発明の実施例による、熱赤外線放射の方向性を制御する不規則半導体構造の別の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例による、熱放射スペクトルを制御するフィルタを具える光学的放射源の例示的構成要素を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例による、図１０に示す光学的放射源内のフィルタについての例示的フィルタ反射応答を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例による、フィルタ付及びフィルタなしの光学的放射源の例示的熱赤外線放射を示す図である。
【図１３】図１３Ａ及び１３Ｂは、本発明の実施例による、図１０に示す光学的放射源に使用する、例示的なブラッグミラーフィルタを示す図である。
【図１４】図１４Ａ及び１４Ｂは、本発明の実施例による、ブラッグミラーフィルタを具える光学的放射源の例示的構成を示す図である。
【図１５】図１５Ａ及び１５Ｂは、本発明の実施例による、ブラッグミラーフィルタを具える光学的放射源の別の例示的構成を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施例による、光学的放射源を調整するように構成した例示的ブラッグミラーフィルタを示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施例による、光学的放射源内に可動ブラッグミラーフィルタを用いた例示的な調整可能な出力を示す図である。
【図１８】図１８Ａ及び１８Ｂは、本発明の実施例による光学的放射源を具える、例示的なマイクロ電気機械システム光学干渉計を示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施例による、光学的放射源を具える例示的なガス検出装置を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施例による、光学的放射源を稼働する例示的工程を示すフローチャートである。
【図２１】図２１は、４ポイントプローブ法を用いた加熱素子の抵抗の正確な測定法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施例によれば、光学的放射源が、不規則半導体構造を用いて形成されており、この不規則半導体構造を加熱することによって熱赤外線放射線を発生するように構成されている。この不規則半導体構造は、例えば、通常ブラックシリコンと呼ばれている構造化シリコンを具える。不規則半導体構造の使用により、表面積と放射率が広域発光帯を超えて最小となる。不規則半導体領域の形状はリソグラフィ処理を用いて制御することができるが、細かいマイクロ構造は、マスクレスシリコンエッチング処理を用いて制御することができる。例えば、不規則半導体微細構造（例えば、ブラックシリコンの針）は、基板に対して面外を向き、所定の角度のスペクトルで主に基板に垂直に伝達する光を生成するか、あるいは、面内を向いて、所定の角度のスペクトルで主に基板に対して平行に伝達する光を生成する。さらに、この光学的放射源はさらに、源出力光を合焦させる、あるいは集める様々な光学部品を具えていてもよい。
【００１４】
不規則半導体構造のスペクトル放射はさらに、一またはそれ以上の光学フィルタとフィードバック機構によって、対象外の帯域の放射を用いて構造を加熱するように設計することができる。例えば、光学フィルタは、面内又は面外の方向性を有する多層ブラッグ反射器を用いて形成することができる。不規則半導体構造の熱質量は、不規則半導体構造をその上に形成する層の厚さを薄くすることでさらに小さくすることができる。不規則半導体領域は、さらに、埋め込み酸化（ＢＯＸ）層、ガラスウエハ、窒化物層といった絶縁膜の上で熱的に絶縁してもよい。このような熱絶縁によって、最小のエネルギィで不規則半導体材料を加熱して、結果としての光源の効率を改善することができる。
【００１５】
図１は、本発明の実施例による、不規則半導体材料から生じる光学的放射源１００の例示的な構成要素を示すブロック図である。光学的放射源１００は、加熱素子１１０と、不規則半導体構造１２０を具える。いくつかの例では、不規則半導体構造１２０がブラックシリコンを具える。光学的放射源１００の加熱素子１１０は、電流Ｉと電圧Ｖの形で電気エネルギィ入力を受け取る。したがって、入力電力Ｐは、ＩとＶの積に等しい。所定の時間にわたる入力電力の積分は、この期間に光学的放射源１００に供給された総電気エネルギィＱｅｌｅｃである。
【００１６】
加熱素子１１０は、入力電気エネルギィを熱エネルギィＱｔｈｅｒｍに変換する。これは、不規則半導体構造がこの熱エネルギィを放射エネルギィＱｒａｄに変換して、熱赤外線（ＩＲ）放射（光）を出射するための不規則半導体構造１２０の加熱に利用される。例えば、この温度は、セ氏１４００度（Ｃ）より低くてもよいが、好ましくは４５０度から１２００度の間である。より高い温度では、光学的放射源１００を真空又は不活性ガス環境の下でパッケージ化して、半導体材料の酸化を防止することができる。エネルギィロスを最小にして不規則半導体構造１２０を効率よく加熱するには、加熱素子１１０が不規則半導体構造１２０の近傍にあり、良好に熱接触するようにする。いくつかの例では、加熱素子は、プラチナなどの金属を具える。
【００１７】
不規則半導体構造１２０の微細構造の寸法（高さ、幅、粗さ）は、不規則半導体構造１２０の吸収性、したがって放射性が、通常の（規則的な）シリコン構造より高くなるように選択することができる。このように、不規則半導体構造１２０の放射特性は、通常の関節バンドギャップシリコンと比較して改善され、電気エネルギィの放射エネルギィへの変換という意味で、光学的放射源１００の効率を改善することができる。いくつかの例では、不規則半導体構造は、操作条件に応じて熱赤外線（ＩＲ）放射エネルギィを広域スペクトルを超えて放射する。
【００１８】
光学的放射源１００はさらに、不規則半導体構造１２０に接続されたアクチュエータ１３０を具える。いくつかの例では、アクチュエータ１３０が、マイクロ電気マシン技術システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータを具えており、これは、不規則半導体構造１２０を変位させて（例えば、移動）出射したＩＲ放射（光）の方向に向ける及び／又は光の波長を制御する。例示的な実施例では、ＭＥＭＳアクチュエータが、コム駆動アクチュエータ、平行板アクチュエータ、又はその他のタイプのアクチュエータ、といった静電アクチュエータである。
【００１９】
図２は、本発明の実施例による、半導体（シリコン）基板２１０をエッチングして作成したブラックシリコン構造２００の例示的な構成を示す図である。いくつかの例では、図１に示す不規則半導体構造１２０は、図２に示すブラックシリコン構造２００を具える。ブラックシリコン構造２００は、針状の表面構造であり、半導体基板２１０の表面に、単結晶シリコンでできた複数の針２２０を具える。いくつかの例では、この針の径は、１マイクロメートルより小さく、針の高さは１０マイクロメートルより高く、ブラックシリコン領域にわたってこれらのパラメータがランダムに変化している。この針は、光リソグラフィマスクを使用することなくエッチングすることによって、スパイク、コラム、コーン、ピラミッドなど、様々な形状に形成されている。
【００２０】
したがって、図２に示すように、ブラックシリコン構造２００は高さ及び間隔がランダムな不規則半導体構造である。ブラックシリコン構造２００のアスペクト比は、式（２）で規定される。
2018533812.tif 000004
ここで、Ｈは平均高さ、Ｗは平均幅であり、両方ともエッチング時間、バイアス電圧、及び温度などのパラメータを処理することによって制御できる。いくつかの例では、エミッタ機能に必要なアスペクト比がＡＲ≧５である。
【００２１】
ブラックシリコン構造２００の曲線因子ｆ１、ｆ２・・・ｆＮは、さらに、構造２００の所定の断面についてのシリコンと空気の比として定義することができる。図２に示すように、この構造は、曲線因子が徐々に変化しており、深さと共に曲線因子が増える。例えば、ブラックシリコン構造２００の曲線因子は、針の頭部から基部にかけて徐々に大きくなっている。針形状の表面構造はさらに、フレネル反射を低減する有効屈折率の連続的な変化を提供している。密度−等級深さ（density-grade depth）が増えると、シリコン（Ｓｉ）の真空波長又は半波長の約１／８の特性密度深さ（grade depth）を伴って、反射率が急激に増える。
【００２２】
通常、ブラックシリコン構造２００は、シリコン基板上でエッチング工程がシリコン基板に対して面外になるようにして製造される。ブラックシリコン構造２００は、多くの様々なエッチング技術のいずれかを使用して製造することができる。この様々な技術は、ウエットエッチング技術と、ドライエッチング技術に分類することができる。ウエットエッチング技術には、金属アシスト化学エッチングや、フレイファーシングチェンケンブリッジ（ＦＦＣケンブリッジ）工程を含む従来のエッチング法に加えて、例えば、ＨＦエッチングや、ステインエッチングがある。ドライエッチング技術には、例えば、反応性イオンエッチングや、レーザー照射エッチングがある。
【００２３】
シリコンの電気化学ＨＦエッチングでは、ＨＦと、Ｈ２Ｏと、エッチング反応中に生成される酸化シリコンを除去するエタノールとを含む溶液に漬けたシリコンウエハを電気化学セルに接続して、酸化反応を起こし、シリコンの表面張力を低減する。低電流密度領域では、酸化工程によってエッチング反応が制限され、多孔性シリコンが形成される。ここで、孔のサイズは、電流密度が上がるほど大きくなり、深さは、エッチング時間が長くなるほど深くなる。電気化学ＨＦエッチングは、低コスト工程のため好ましいが、広い表面積にわたって均一な電流密度を維持することが難しい。
【００２４】
ステインエッチングでは、ＨＦとＨＮＯ３を用いてシリコンの化学エッチングを行い、多孔性シリコンを形成する。エッチング動作は、連続的な酸化−分解工程に基づいている。酸の相対濃度を制御することによって、異なるシリコン表面形態を形成できる。ステインエッチングは、低ＨＮＯ３領域で有効であり、濃度とエッチング時間を制御することにより多孔層の有効屈折率を調整できる。
【００２５】
金属アシスト化学エッチングでは、ＨＦの存在下でシリコンをエッチングして、酸化剤を金属メタルを用いて触媒反応させて、様々な形態のナノ構造表面を形成する。所望の表面構造ができると、残った金属ナノ粒子は取り除かれる。多孔率あるいは有効屈折率のスムーズな移行は、金属ナノ粒子の濃度を制御することによって、あるいは金属アシスト化学エッチングによって形成されたナノ構造の反応イオンエッチングによる修正を用いて、行うことができる。
【００２６】
多孔性ブラックシリコンは、ＦＦＣケンブリッジ工程で製造することもできる。ここでは、ＳｉＯ２が電気化学的に低減して、８５０℃といった高温でシリコンを多孔性にする。ＦＦＣケンブリッジ工程は、安価で簡単であるが、高温の工程によって、シリコンウエハが金属汚染される傾向にある。
【００２７】
低温での反応イオンエッチング（ＲＩＥ）もシリコングラスブラックシリコン表面の形成に使用することができる。ＳＦ６とＯ２のガス成分が、シリコンエッチングを行い、冷却したシリコン基板に絶縁層を形成するＦ＊とＯ＊ラジカルを生成する。ここで、絶縁層は、イオン照射によって部分的に除去される。このエッチング／絶縁機構により、アスペクト比が非常に高いランダムシリコンマイクロ構造が形成される。ガスフローレート、基板のバイアス及び温度を含むＲＩＥ工程のパラメータが、形成したブラックシリコンの形態を制御する。高密度プラズマシステムでは、エッチングと絶縁の比率が高くなって、高アスペクト比のブラックシリコンを形成することができる。ほかのガスを使用して、同じように機能させることもできる。
【００２８】
ブラックシリコン構造２００は、ガス環境内で非常に短く、強いレーザーパルスをシリコン表面に当てることで製造することもできる。例えば、空気中でシリコン表面を空気と反応させて、表面をいくらかエッチングして、円錐状スパイクのパターンを残す。ｘ−ｙ移行ステージを用いて、シリコンウエハ表面を合焦レーザービームでスキャンすることができる。ブラックシリコンは、六フッ化硫黄及びその他のドーパントを含むガスの存在下で、フェムト秒のレーザーパルスをシリコンに照射することで、製造することもできる。次いで、シリコン表面に。マイクロメータサイズの自己組織化微細構造ができる。同様の表面改質を真空で行ってもよいが、このシリコンコーンは鋭い先端に欠けることになる。
【００２９】
ブラックシリコン構造２００は、重いカルコゲン（例えば、Ｓ、Ｓｅ又はＴｅ）を満たした環境内で半導体基板２１０にフェムト秒レーザーパルスを当てて、シリコンの薄い層を非平衡レベルでドーピングして半導体基板表面に製造することもできる。この光学ハイパードーピング工程は、バンドギャップにレベルを導入して、ブラックシリコン構造２００の放射率をより長い波長に改善する。
【００３０】
図３Ａ−３Ｃは、本発明の実施例による、光学的放射源１００の構成要素の例示的構成を示す図である。図３Ａ−３Ｃでは、光学的放射源１００が、半導体基板３１０上に形成した不規則半導体構造１２０（例えば、図２に示すようなブラックシリコン構造２００）を具える。これは、例えば、図２に示す半導体基板２１０に対応する。図３Ａ−３Ｃに示す例では、半導体基板３１０がシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハであり、これは、デバイス層３２０と、ハンドル層３３０と、デバイス層３２０とハンドル層３３０の間に配置した絶縁層３４０を具える。いくつかの例では、絶縁層３４０は、埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層、ガラス基板／ウエハ、あるいは窒化物層である。不規則半導体構造１２０は、デバイス層３２０又はハンドル層３３０をエッチングすることによって形成することができ、前者が図３Ａ−３Ｃに記載されている。
【００３１】
光学的放射源１００は、さらに、ＳＯＩウエハ３１０上に形成され、電流注入用の電気パッドに接続された加熱部品３５０と３６０でできた加熱素子１１０を具えている。したがって、図３Ａ−３Ｃに示すように、加熱素子１１０と不規則半導体構造１２０は、同じチップ（半導体基板）上に集積することができる。図３Ａに示す例では、加熱素子部品３５０と３６０が、不規則半導体構造１２０の上に配置されている。例えば、加熱素子部品３５０と３６０は、不規則半導体領域の半導体基板３１０のエッチングしていない表面３７０上に配置することができる。図３Ｂに示す例では、加熱素子部品３５０と３６０が、半導体基板３１０のエッチングしていない表面３７０上の不規則半導体構造１２０の両側部に配置されている。図３Ａ及び３Ｂの両方において、絶縁材料３７５が、加熱素子部品３５０と３６０の下のエッチングしていない表面３７０上に配置されている。
【００３２】
図３Ｃに示す例では、加熱素子部品３５０と３６０が、絶縁層３４０の露出面３４５上で不規則半導体構造１２０の下に配置されている。例えば、不規則半導体構造１２０は、ＳＯＩウエハ３１０のデバイス層３２０にエッチングすることができ、ハンドル層３３０は、さらに、不規則半導体構造１２０に縦方向に整列した絶縁層３４０の表面の一部を露出させるようにエッチングすることができる。加熱素子部品３５０と３６０は、絶縁層３４０の露出面３４５上に装着できる。いくつかの例では、露出表面３４５は、不規則半導体構造１２０と同じ幅か、あるいはこれより幅が広い。
【００３３】
不規則半導体構造が熱エネルギィを吸収し蓄積する能力として規定される不規則半導体構造１２０の熱質量は、不規則半導体構造１２０を囲む半導体材料（例えば、シリコン）をエッチングすることによって最適化できる。例えば、デバイス層３２０は、不規則半導体構造１２０の両側部にエッチングされており、ハンドル層３３０は、不規則半導体構造１２０の下に縦方向にエッチングされて、不規則半導体構造１２０が絶縁層３４０のメンブレン３８０上に位置するようにしている。いくつかの例では、図３Ｃに示すように、その上に加熱素子部品３５０と３６０が形成されている絶縁層３４０の露出面３４５は、絶縁層３４０のメンブレン３８０に対応する。メンブレン３８０はしたがって、熱絶縁体として作用し、不規則半導体構造１２０を熱的に絶縁する。上述した通り、絶縁層３４０、及び、したがってメンブレン３８０は、ＢＯＸ層、ガラス基板／ウエハあるいは窒化層を具えている。
【００３４】
さらに、デバイス層３２０とハンドル層３３０との間の絶縁層３４０をさらにエッチングして、不規則半導体構造１２０を開放することができる。さらに、開放した不規則半導体構造１２０は、不規則半導体構造１２０をＭＥＭＳアクチュエータに取り付けることによって可動となる。さらに、不規則半導体構造１２０が存在する面は平面であっても曲面であってもよく、放射光の位相面を制御する。
【００３５】
図３Ａ−３Ｃに示す各例では、射出した赤外線放射（光）３９０が、半導体基板３１０に対する面外方向あたりに角スペクトルを有する。その他の例では、図４Ａ−４Ｃに示すように、射出した赤外線放射３９０は、半導体基板３１０に対して面内方向あたりに角スペクトルを有する。図４Ａ−４Ｃに示す例では、不規則半導体構造１２０を、例えば、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）ボッシュ工程を用いてデバイス層３２０をエッチングすることによって、デバイス層３２０に高アスペクト比のトレンチを形成し、ついで、光学的放射源１００の光学路内にあるデバイス層３２０の周辺半導体材料を除去又はエッチングして、製造することができる。
【００３６】
加えて、加熱素子１１０は、不規則半導体構造１２０に一体化することができる。例えば、図４Ｂに示すように、加熱素子１１０は不規則半導体構造１２０の後側部に配置できる。したがって、不規則半導体構造１２０は、複数の針が形成された第１側部と、加熱素子１１０が形成された第１側部の反対側の第２側部を有しており、これらの第１及び第２の側部は、半導体基板３１０の面に垂直である。加熱素子１１０は、さらに、不規則半導体構造１２０の上面（例えば、デバイス層３２０の上面）にわたって延在している。いくつかの例では、加熱素子１１０は、不規則半導体構造１２０に接着又は取り付けられている。別の例では、加熱素子１１０は、リソグラフィと蒸着工程によって製造することができる。
【００３７】
いくつかの例では、図４Ｃに示すように、不規則半導体構造１２０がエミッタアレイ４１０を具えており、各アレイが不規則半導体構造領域（例えば、ブラックシリコン領域）を具えている。各エミッタ４１０は、例えば、ＤＲＩＥボッシュ工程を用いて製造し、不規則半導体構造の壁に複数のトレンチを形成し、次いで光学路内の不規則半導体構造１２０を取り囲む半導体材料を除去（エッチング）して、各エミッタ４１０を通常の半導体材料（例えば、シリコン）４２０のコラムで分離する。いくつかの例では、単一の加熱素子１１０を用いて全エミッタ４１０を加熱することができる。いくつかの例では、一またはそれ以上のエミッタ４１０を、個別／それぞれの加熱素子１１０で個別に加熱することができる。
【００３８】
図には示していないが、不規則半導体構造１２０の熱質量は、不規則半導体構造１２０の下にあるハンドル層３３０（図３Ａ−３Ｃに示す）をエッチングすることによって最適化することができる。さらに、デバイス層３２０とハンドル層３３０の間の犠牲層（絶縁体）３４０をさらにエッチングして、不規則半導体構造１２０を放出できる。さらに、放出した不規則半導体構造１２０は、不規則半導体構造１２０をＭＥＭＳアクチュエータに取り付けることによって、可動となる。さらに、不規則半導体構造１２０が存在する面は、平面であっても曲面であってもよく、放出した光の位相面を制御することができる。
【００３９】
図５Ａ−５Ｅは、本発明の実施例による不規則半導体構造１２０と加熱素子１１０の例示的形状を示す図である。この不規則半導体領域の形状は、リソグラフィ技術とそれに続くエッチングによって規定することができる。例えば、図５Ａ−５Ｃに示すように、矩形、円形、環状といった様々な形状とすることができる。いくつかの例では、この形状は、光学的放射源を使用するアプリケーション用に最適化することができる。
【００４０】
さらに、図５Ｄ及び５Ｅに示すように、加熱素子１１０の形状は、不規則半導体構造１２０の形状に基づいて選択することができる。いくつかの例では、加熱素子１１０は、リソグラフィ技術と、続いて薄膜蒸着を行うことによって規定することができる。不規則半導体構造１２０を十分な加熱は、ヒータのジオメトリを好適化し、不規則半導体構造１２０及び／又はデバイス全体を熱的に分離することによって行うことができる。
【００４１】
図６Ａ−６Ｆは、本発明による光学的放射源１００の例示的構成を示す図であり、熱赤外線放射を方向付ける様々な光学部品を具えている。いくつかの例では、ＭＥＭＳ技術を用いて、光学的放射源１００の構成要素を一体的に集積することができる。このように、様々な集積光学部品と不規則半導体構造との整列は、リソグラフィ方式で実装できる。
【００４２】
例えば、図６Ａに示すように、不規則半導体構造１２０は、中空導波管６１０に封入して、放射した光３９０の面内方向への伝達を容易にしている。別の例では、図６Ｂに示すように、光学的放射源１００が、不規則半導体構造１２０に光学的に接続された、傾いたあるいは曲面のミラー６２０を具えており、放射光３９０を受けて、この放射光３９０を特定の方向に向けるようにしている。図６Ｂに示す例では、ミラー６２０が放射光を面内方向に向けている。ここで図６Ｃ及び６Ｄを参照すると、熱ＩＲ放射の方向は、不規則半導体構造１２０を囲むメタリックミラー６６０を用いて制御して、面内光線を反射して、不規則半導体構造１２０の方へ戻し、面外光線が光学的放射源１００から出てゆくようにしてもよい。図６Ｃに示す例では、ミラー６６０がその反射面が半導体基板３１０の面に垂直になるようにデバイス層３２０内に作られている。
【００４３】
いくつかの例では、出射した放射を最良の形で使用し、光源とシステムのカップリング効率を上げるために、放射光の視準と合焦が必要である。例えば、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外線）分光計など干渉分光法ベースのアプリケーションでは、視準を用いて解析限界分解能を改善しているが、合焦は信号対ノイズ比を上げるために用いられる。視準と合焦は、構成が異なる曲面鏡とレンズといった、異なる部品で達成することができる。図６Ｅに示す例では、視準と合焦をパラボラ鏡６３０を用いて行っている。不規則半導体構造１２０は、パラボラ鏡６３０の合焦面に配置されて、鏡６３０の軸に平行な出射光線を反射する。いくつかの例では、パラボラ鏡６３０は、同じチップ内に一体化された面内２Ｄ／３Ｄ曲面鏡、あるいは外付けした鏡である。
【００４４】
図６Ｆに示す例では、視準と合焦を、楕円鏡６４０とレンズ６５０を用いて行っている。不規則半導体構造１２０は、鏡６４０の焦点６４５の一つに配置されている。さらに、鏡６４０とレンズ６５０は、鏡６４０のその他の焦点が、レンズ６５０の焦点６５５と同じになるように離れて配置されており、出射光線が鏡６４０によって合焦し、レンズ６５０によって視準することができる。
【００４５】
いくつかの例では、曲面鏡６４０が、不規則半導体構造１２０の下の基板にエッチングされているか、あるいは、別の基板上に作って、不規則半導体構造を有する基板に重ねるようにしている。さらに、レンズ６５０は、光レジストのリフロー、グレースケールマスク、あるいはＲＩＥ内のラグ効果によってシリコン材料上につくることができる。レンズ６５０はさらに、プラノ凸レンズ、又は正凹レンズであり、レンズ６５０からの反射光線が、不規則半導体構造１２０の上で再度合焦する。いくつかの例では、二またはそれ以上のレンズでできた光学系を使用している。
【００４６】
図７Ａ及び７Ｂは、本発明の実施例による、熱赤外線放射の方向性を制御する不規則半導体構造の例示的な構成を示す図である。図７Ａ及び７Ｂに示すように、熱ＩＲ放射３９０の方向性は、曲面鏡７１０を、不規則半導体構造１２０がエッチングされている半導体基板内につくることによって制御できる。
【００４７】
図７Ａに示す例では、曲面鏡７１０は、半導体基板２１０の底曲面を具える。これは、例えば、凹形状又は凸形状を作る三次元製造方法を用いて作成することができる。不規則半導体構造１２０は、次いで、半導体基板２１０の上側表面に不規則半導体構造１２０をエッチングする。図７Ａに示す結果としての構造は、屈折特性及び反射特性に基づいて、この構造の上部並びに底部からの熱ＩＲ放射を制御することができる。
【００４８】
図７Ｂに示す例では、曲面鏡７１０が半導体基板２１０の上側曲面を具える。これは、いずれかのエッチング工程を用いて作ることができる。次いで、曲面鏡７１０内に不規則半導体構造１２０をエッチングする。いくつかの例では、半導体基板２１０が、図３Ａ−３Ｃに示すように、ＳＯＩ基板３１０のデバイス層３２０又はハンドル層３３０である。
【００４９】
図８Ａ及び８Ｂは、本発明の実施例による、熱赤外線放射の方向性を制御する不規則半導体構造１２０の別の例示的構成を示す図である。図８Ａ及び８Ｂに示す例では、熱ＩＲ放射の方向性が、同心リング状シリコン（又はその他の半導体材料）８１０と、ブラックシリコン（又は、その他の不規則半導体構造）８２０を利用して実現される屈折と回析の原理を用いて制御される。エラー！基準電源が見つからなかった。この実現構造は、フレネルレンズ効果を有する。いくつかの例では、リングの形状が楕円形あるいは、所定の方向における方向性を改善するのに最適化したその他の形状であってもよい。このパフォーマンスは、リングとブラックシリコン（不規則半導体）材料のエッチング深さ間のスペース８３０によって制御できる。さらに、シリコン８１０とブラックシリコン８２０間を後退させることによっても放射率を操作して、放射率の値と、プロファイル対波長を制御することができる。
【００５０】
図９Ａ及び９Ｂは、本発明の実施例による、熱赤外線放射の方向性を制御する不規則半導体構造１２０の別の例示的構成を示す図である。光学的放射源のスペクトル特性は、不規則半導体材料を選択的にドーピングすることによって操作することができ、これによって、赤外線領域にプラズモン挙動が生じ、所定の波長及び／又は方向における放射を改善する。図９Ａ及び９Ｂに示す例では、半導体基板２１０（例えば、図３Ａ−３Ｃに示すＳＯＩ基板のデバイス層３２０）に不規則半導体構造をエッチングする前に、選択的にドーピングする。このように、エッチングの後に、不規則半導体構造１２０が高濃度にドープされた領域９１０と、低濃度にドープされた（あるいは、ドープされていない）領域９２０を具えていてもよい。いくつかの例では、このドーピングがマスクと、半導体基板中の深さ約１００ｎｍについて、３×１０２０ｃｍ−３に届くホウ素、又は、２×１０２１ｃｍ−３に届く燐のいずれかによるマスク及びイオン注入を用いて実行することができる。しかしながら、この構造をアニーリングすることで、ドーピングレベルを約１０２０ｃｍ−３まで下げることができる。
【００５１】
いくつかの例では、高濃度にドープした領域９１０は金属のように挙動して、所定の方向と波長が強化された出射光に回析効果をもたらす。半導体材料にドーピングすることに代えて、周期的な金属構造（図示せず）を不規則半導体構造の上に蒸着させることによっても同じ結果を達成することができる。さらに、この金属構造によるプラズモン共鳴を得ることもできる。
【００５２】
図１０は、本発明の実施例による光学的放射源１００の例示的構成要素を示すブロック図であり、熱放射スペクトルを制御するフィルタ１０１０を具える。熱放射スペクトルは、通常、所定のアプリケーションに必要なスペクトルより広い。使用しない出射スペクトルエネルギィが、光学的放射源の効率を落とす。したがって、図１０に示すように、使用しないスペクトル領域のエネルギィを不規則半導体構造１２０へ反射して戻すことによって、光学的放射源１００の効率を改善するようにしている。不規則半導体構造で、エネルギィが吸収され加熱に寄与する。
【００５３】
図１０に示す例では、電流（Ｉ）が加熱素子１１０に流れ、次いでこの加熱素子が不規則半導体構造１２０へ向けて熱を発生する。不規則半導体構造１２０と周囲の熱質量ネットワークによって、熱エミッタ（不規則半導体構造１２０）の温度（Ｔ）が設定される。したがって、不規則半導体構造１２０は、その温度と放射率に応じてエネルギィを放射する。出射スペクトルエネルギィは、次いでフィルタ１０１０を通り、所定のアプリケーションに有用な帯域を出力に通過させ、有用でない帯域を反射して不規則半導体構造１２０へ戻す。反射したバンドエネルギィ（Ｒ）は、不規則半導体構造１２０の吸収度に応じて熱と温度に変換される。
【００５４】
フィルタの一例が図１１に示されており、これは２．２μｍ／３ｄＢのバンド幅を有しており、出力からのフィルタ応答バンド幅内の波長を抑制／反射する。フィルタにかけた／反射した波長は、次いで、不規則半導体構造にフィードバックされて、フィルタにかけた／反射したエネルギィをフィルタ応答外のその他の波長にマッピングする。結果としての出力放射スペクトルが、図１２に示されており、これは、フィードバックフィルタのある場合、及びフィードバックフィルタのない場合の、放射強度対波長を示している。図１２からわかるように、フィードバックフィルタを用いることによって、源の温度がより高くなり、その放射ピークはより小さい波長にシフトしている。いくつかの例では、出射パワーが、約５μｍより小さい波長について改善された。
【００５５】
ここで、図１３Ａ及び１３Ｂを参照すると、広域帯フィルタ１０１０は、複数の直列につないだ、ブラッグミラー１３１０を用いて実装することができる。各々が複数層１３２０を有する図１３Ｂに示す例では、層１３２０は、空気とシリコン層が交互になっており、例えば、ＳＯＩ基板３１０のデバイス層内に製造することができる。しかしながら、別の例では、層１３２０が金属及び／又は誘電材料などのその他材料を含んでいる。直列につないだブラッグミラー１３１０は、不規則半導体構造とフィルタからの入射光を受ける方向に配置されており、その入射光１３３０をフィルタにかけて、この入射光のスペクトルの部分がフィルタを通過して（ステップ１３３０）、その他の部分は反射する（ステップ１３５０）。
【００５６】
各ブラッグミラー１３１０は、反射スペクトルが制限されている。したがって、ブラッグミラー１３１０を直列につなぐことによって、反射スペクトル１３５０を不規則半導体構造へフィードバックするのに使用できる広い反射スペクトルとなる。いくつかの例では、ブラッグミラー１３１０内の各層１３２０の寸法を制御して、各ブラッグミラー１３１０の反射スペクトルの中央波長をシフトさせることができる。ブラッグミラー１３１０の反射スペクトルは、光学的放射源からの必要な工学的出力放射（送信した）スペクトル１３４０に依存して、オーバーラップしたりしなかったりする。さらに、ブラッグミラー１３１０は、基板３１０の表面に対して平行又は垂直に方向づけられており、垂直に方向づけられたものが図１３Ｂに示されている。
【００５７】
図１４Ａ及び１４Ｂは、本発明の実施例による、ブラッグミラー１０１０を具える光学的放射源１００の例示的構成を示す図である。図１４Ａは、光学的放射源１００の側面図であり、図１４Ｂは平面図である。ブラッグミラーフィルタ１０１０は、例えば、空気とシリコンが交互になった複数の層１３２０を有する単一ブラッグミラー１３１０を具えている。層１３２０は、アプリケーションに必要な反射の中央波長に応じて寸法が異なる。
【００５８】
図１４Ａ及び１４Ｂに示す例では、不規則半導体構造１２０から出射される熱ＩＲ放射３９０は、半導体（ＳＩＯ）基板３１０に対してインプレーンである。この例では、不規則半導体構造１２０は、基板３１０内に縦方向にエッチングされている。光学的放射源１００は、さらに、パラボラ型金属反射器１４１０を具えており、出射熱ＩＲ放射をブラッグミラーフィルタ１０１０の方向に集めて合焦させている。
【００５９】
図１５Ａ及び１５Ｂは、本発明の実施例による、ブラッグミラーフィルタ１０１０を具える光学的放射源１００の構成を示す図である。図１５Ａは、この光学的放射源１００の側面図であり、１５Ｂは平面図である。図１５Ａ及び１５Ｂに示す例では、ブラッグミラーフィルタ１０１０が不規則半導体構造１２０を囲んでおり、不規則半導体構造の各側部上に単一のブラッグミラー１３１０を具えている。ブラッグミラー１３１０は、そのエッジにおいてオーバーラップしており、不規則半導体構造１２０を完全に囲んでいる。各ブラッグミラー１３２０のブラッグ層１３２０は、許容波長（例えば、ブラッグミラー１３１０を通過して送信される波長）と、反射波長（例えば、不規則半導体構造１２０で反射されて戻る波長）を、各ブラッグミラー１３１０について決定する。更に、ブラッグ層１３２０は、不規則半導体構造１２０のまわりの異なる放射角度について異なる厚さを有する。いくつかの例では、光学的放射源１００は多重波長源であってもよく、ブラッグミラー層１０１０は、空中の異なる方向に対して、異なる波長（例えば、λ１、λ２、λ３、及びλ４）を選択的に向けることができる。
【００６０】
図１６は、本発明の実施例による、光学的放射源を調整するように構成した例示的なブラッグミラーフィルタを示す図である。図１６に示す例では、ブラッグミラーフィルタ１０１０の少なくとも一つのブラッグミラー１３１０が可動である。例えば、ブラッグミラー１３１０は、ＭＥＭＳアクチュエータなどのアクチュエータに連結されており、これは、稼働時に、可動ブラッグミラー１３１０を変位させて、送信／反射スペクトル１３４０／１３５０の波長を変化させる。
【００６１】
いくつかの例では、フィルタ１０１０の送信応答は、元の源のスペクトルより狭く、入射パワー１３３０のほとんどが反射されて不規則半導体構造へ戻る。この例では、反射パワー１３５０が不規則半導体構造の温度を上げて、フィルタ１０１０の狭い送信レンジ内でより大きな出力パワーがでる。この結果、光学的放射源が、従来の熱源に比べてより大きなコヒーレンス長を持つことができる。
【００６２】
図１６に示す構造は、非常に広い調整レンジをもち、フィルタ１０１０の調整レンジ能力によってのみ制限される。更に、ポラライザ（図示せず）をフィルタ１０１０の前及び／又は後に加えることによって、及びポラライザを、不要な偏光が反射されて不規則半導体構造に戻り、必要な変更が通過するように設計することによって、偏光を調整することができる。
【００６３】
フィルタを用いて調整したものと、調整していない出力応答の例を図１７に示す。ここでは、パワーの相対値が維持されている。図１７に示す例では、フィルタのより長い波長への調整が、出力パワーを若干減らすことによって行われている。
【００６４】
図１８Ａ及び１８Ｂは、本発明の実施例による、光学的放射源１００を具える例示的なマイクロ電磁機械システム（ＭＥＭＳ）光干渉計１８００を示す。図１８Ａは、ＭＥＭＳ光干渉計１８００の側面図であり、図１８Ｂは平面図である。ＭＥＭＳ光干渉計１８００は、不規則半導体構造１２０と加熱素子１１０を伴う光学的放射源１００と、光ビームスプリッタ１８１０と、固定ミラー１８２０と、可動ミラー１８３０を具える。図１８Ａに示す例では、光学的放射源１００を具えるＭＥＭＳ光干渉計１８００の各構成要素が、同じ半導体（ＳＯＩ）基板３１０（例えば、ＳＯＩ基板３１０のデバイス層３２０内）の上に作成されている。したがって、光ＭＥＭＳ干渉計１８００と光学的放射源１００の整列をリソグラフィック態様で行うことができ、この構成要素のすべてを一体的に集積することができる。
【００６５】
例示的な動作において、光学的放射源１００からの入力ビーム（例えば、熱ＩＲ放射線）が、ビームスプリッタ１８１０へ導かれる。ビームスプリッタ１８１０は、例えば、入力ビームからある角度（例えば、４５度）に配置され、入力ビームを二つのビームに分けるシリコン／空気インターフェースビームスプリッタである。このビームの一方は、固定ミラー１８２０に向けて空気中を伝達し、他方は、移動ミラー１８３０に向けてシリコンの中を伝達する。空気中を伝達するビームは、シリコン／空気ハーフ面ビームスプリッタ１８１０からの入力ビームの部分反射から出ており、したがって、ビームの入射角と等しい反射角を有する。このビームは、固定ミラー１８２０から反射されるまで空気中を伝搬し、したがって、第１の反射ビームを作る。
【００６６】
更に、シリコン内を伝搬するビームは、シリコン／空気半平面スプリッタ１８１０を通る入力ビームの部分的伝送から生じ、スネルの法則によって決まる角度でシリコン内を伝わる。このビームは、シリコンを通過して、移動ミラー１８３０で反射されるまで伝搬し続け、第２の反射ビームを作る。二つの反射ビームはビームスプリッタ１８１０に向けて戻り、干渉して、入射信号として検出器（図示せず）で検出できる干渉パターン（インターフェログラム）を作る。いくつかの例では、次いで、検出したインターフェログラムにプロセッサでフーリエ変換を行って、測定したスペクトルを取り出す。
【００６７】
可動ミラー１８３０は、アクチュエータ１８４０（例えば、マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステムス（ＭＥＭＳ）のアクチュエータ）に連結されており、可動ミラーを変位させて光路を変動させ、この光路にそって伝搬する光ビーム間に光路差（ＯＰＤ）を作る。例示的な実施例では、ＭＥＭＳアクチュエータが、櫛歯アクチュエータ、平行平板アクチュエータ、又はその他のタイプのアクチュエータといった、静電アクチュエータである。
【００６８】
図１９は、本発明の実施例による、光学的放射源１００を具える例示的ガス検出装置１９００である。ガス検出装置１９００は、不規則半導体構造を有する光学的放射源１００と、ガスの入口１９２０と出口１９３０を有する気体電池１９１０と、光フィルタ１９４０と、検出器１９５０を具える。気体電池１９１０は、分析すべき化学物質を含んでいる。いくつかの例では、光学的放射源１００が広帯域放射源であり、選択的に、中心波長が調整可能である。さらに、光フィルタ１９４０は狭帯域の調整可能な光フィルタであってもよく、波長スキャン干渉計として作用する。したがって、広帯域光学的放射源１００の異なる中央波長で複数回スキャンを行った後、様々な波長範囲にアクセス可能である。
【００６９】
例示的な動作では、光学的放射源１００から出射した光（例えば、熱ＩＲ放射）が気体電池１９１０と光学フィルタ１９４０を通過して、検出器１９５０へ入射する。いくつかの例では、図１８Ａ及び１８Ｂに示すように光学フィルタ１９４０がスキャン干渉計である。検出器１９５０で検出された光は、次いで、分析用プロセッサ（図示せず）へ入力する。
【００７０】
光学的放射源は、光コヒーレンス断層撮影などのその他のアプリケーションにも利用できる。例えば、光学的放射源は、同じパッケージにすべてあるスキャナ及び検出器と組み合わせて、超小型ＯＣＴヘッドとすることができる。
【００７１】
図２０は、本発明の実施例による、光学的放射源を操作する例示的プロセスを示すフローチャートである。図２０に示す方法２０００は、例えば、上述した図面のいずれかに示す光学的放射源１００によって実装することができる。
【００７２】
方法２０００は、光学的放射源を提供するブロック２０１０で開始し、これは、加熱素子と、この加熱素子にごく近接し、良好に熱接触している不規則半導体構造とを具える。いくつかの例では、不規則半導体構造がブラックシリコンを具えている。ブロック２０２０では、光学的放射源の加熱素子が電気エネルギィ入力を受けて、この入力電気エネルギィを熱エネルギィに変換する。ブロック２０３０では、加熱素子がこの熱エネルギィを不規則半導体構造にあてて、不規則半導体構造がこの熱エネルギィを放射エネルギィに変換する温度に不規則半導体構造を加熱し、ブロック２０４０において、不規則半導体構造が熱赤外線（ＩＲ）放射（光）を出射する。
【００７３】
安定した出力パワーとスペクトル応答を提供するために、図２１に示すように、エミッタ（不規則半導体構造）の温度を、温度検出とフィードバックを用いて安定化させる。例えば、ＤＣ電圧源によって加熱素子１１０の外側端末に電圧がかかり、加熱素子の温度を上げる電流フローを生じさせ、黒体放射を生成する。加熱素子の温度は、加熱素子の抵抗（ＲＴＨ）の変化を測定することによって抽出することができる。
【００７４】
いくつかの例では、加熱素子は、抵抗安定性、精度に優れ、抵抗と温度間に直線的相関を有するプラチナを含む。例えば、抵抗と０℃より高い温度間の関係は、
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で与えられる。ここで、Ｒ（Ｔ）とＲ（０）は、それぞれ、温度Ｔと０℃における熱抵抗であり、Ａは金属の抵抗温度係数であり、これは既知である。値Ｒ（０）は、金属薄膜の寸法と抵抗に依存している。
【００７５】
加熱素子抵抗の正確な測定は、図２１に示すように、４点プローブ法を用いて、接点とアーム抵抗（ＲＢとＲＳ）をなくすことで得られる。４点プローブ法は、電気プローブを介して加熱素子に接続した電圧計２１１０と電流計２１２０を用いている。電圧計２１１０と電流計２１２０の出力は、プロセッサに送られ、電圧計の読みを電流計の読みで割ったＶ／Ｉによって、加熱素子の熱抵抗（ＲＴＨ）を計算することができ、したがって、接触抵抗とアーム抵抗（ＲＢとＲＳ）の影響をなくすことができる。次いで、上述の式３を用いてプロセッサ２１３０で熱抵抗に対応する温度を求めることができる。次いで、プロセッサ２１３０でこの温度を基準値と比較して、その結果を加熱素子１１０を駆動しているＤＣ電源回路２１００にフィードバックし、温度が基準値を下回ると電力を上げ、温度が基準値を上回ると電力を下げるようにする。
【００７６】
当業者には認識されるように、本出願に記載した革新的概念は、広範囲にわたるアプリケーションで変形、変更されうる。したがって、特許の主題の範囲は、ここに述べた特定の例示の教示に限定するべきではなく、特許請求の範囲によって規定される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年5月10日(2017.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的放射源において、
半導体基板と：
前記半導体基板内にエッチングした不規則単結晶半導体構造と；
前記不規則単結晶半導体構造に近接して配置した加熱素子であって、前記不規則単結晶半導体構造が熱赤外放射を出射する温度に前記不規則単結晶半導体構造を加熱するように構成された加熱素子と；
を具え、
前記不規則単結晶半導体構造が単結晶シリコンでできた複数の針を具え、当該複数の針の各々が、前記基板に対してランダム高さとランダム幅と、ランダム配向角を有し、広域出射角を作ることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造の表面が高濃度にドープされていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項３】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記複数の針の各々が、平均高さと平均幅を有し、前記複数の針のアスペクト比が前記平均幅で割った前記平均高さに等しいことを特徴とする光学的放射源。
【請求項４】
請求項３に記載の光学的放射源において、前記複数の針のアスペクト比が５より大きいか、５に等しいことを特徴とする光学的放射源。
【請求項５】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記複数の針の各々が、スパイク、円柱、ピラミッド又は円錐に対応する形状を有することを特徴とする光学的放射源。
【請求項６】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記加熱素子と前記不規則単結晶半導体構造が、電気的に絶縁されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項７】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造の曲線因子が、前記複数の針のヘッドから前記複数の針の基部にかけて徐々に大きくなることを特徴とする光学的放射源。
【請求項８】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記半導体基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハを具え、当該ＳＯＩウエハが：
デバイス層と；
ハンドル層と；
前記デバイス層と前記ハンドル層の間に配置した絶縁層と；
を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項９】
請求項８に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造が、前記デバイス層の中につくられていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学的放射源において、前記加熱素子が、前記デバイス層の上に配置されて、前記加熱素子と、前記不規則単結晶半導体構造と、前記赤外線放射が前記デバイス層の同じ側部にあることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１１】
請求項９に記載の光学的放射源において、前記加熱素子が、前記ハンドル層のキャビティ内の前記絶縁層の上に配置されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１２】
請求項９に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造が、前記デバイス層の上で熱的に隔離されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１３】
請求項８に記載の光学的放射源において、前記絶縁層が、埋め込み酸化物、ガラス、又は窒化物を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１４】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造が、エミッタアレイを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１５】
光学的放射源において；
半導体基板と；
深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）ボッシュ工程を用いて前記半導体基板にエッチングした不規則単結晶半導体構造と；
前記不規則単結晶半導体構造に近接して配置した加熱素子であって、前記不規則単結晶半導体構造が熱赤外放射を出射する温度に前記不規則単結晶半導体構造を加熱するように構成された加熱素子と；
を具え、
前記不規則単結晶半導体構造が、前記半導体基板に対して面内方向に熱ＩＲ放射を出射するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１６】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造が、前記半導体基板に対して面外に熱ＩＲ放射を出射するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１７】
請求項１５に記載の光学的放射源において、前記加熱エレメントが、抵抗加熱を使用しており、電流が前記半導体基板に対して面外の加熱エレメント内を伝わることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１８】
請求項１に記載の光学的放射源が更に：
前記不規則単結晶半導体構造に接続され、前記不規則単結晶半導体構造を移動させるように構成されたアクチュエータを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項１９】
請求項１に記載の光学的放射源がさらに、前記不規則単結晶半導体構造を封入し、前記不規則単結晶半導体構造から出射する赤外線放射を、前記半導体基板に対して面内方向に向けるように構成された中空の導波路を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２０】
請求項１に記載の光学的放射源がさらに、半導体基板内にエッチングし、前記不規則単結晶半導体構造に光学的に接続され、前記不規則単結晶半導体構造から出射された前記熱ＩＲ放射を方向付けるように構成されている、少なくとも一の光学部品を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２１】
請求項２０に記載の光学的放射源において、前記光学部品が、前記不規則単結晶半導体構造からの面内放射を反射して前記不規則単結晶半導体構造に戻して吸収し、それを加熱するように構成された筒状ミラーを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２２】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記半導体基板が曲面を具え、前記不規則単結晶半導体構造が当該曲面内につくられていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２３】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造がシリコンとブラックシリコンが交互になった同心リングを具え、放射率を最適化する、シリコンと単結晶シリコンのバイナリィコードを生成することを特徴とする光学的放射源。
【請求項２４】
請求項１に記載の光学的放射源がさらに、前記半導体基板の上に配置され、前記不規則単結晶半導体構造に光学的に接続されているフィルタを具え、当該フィルタが、前記熱ＩＲ放射の第１部分を伝送し、前記熱ＩＲ放射の第２部分を反射して前記不規則単結晶半導体構造に戻して吸収し、それを加熱するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２５】
請求項２４に記載の光学的放射源において、前記フィルタが、複数の直列に接続したブラッグミラーを具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２６】
請求項２５に記載の光学的放射源において、前記複数の直列に接続したブラッグミラーの少なくとも一つが、前記半導体基板内の光学的放射源と一体化したアクチュエータに接続されており、当該アクチュエータが前記少なくとも一つのブラッグミラーを移動させて、前記熱ＩＲ放射の中心波長を調整するように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２７】
請求項２５に記載の光学的放射源において、前記複数の直列に接続したブラッグミラーの各々が、前記各直列に接続したブラッグミラーのスペクトルの各中心波長をシフトさせるように選択された各々の寸法を有する複数の層を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２８】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記不規則単結晶半導体構造が、前記熱ＩＲ放射の回折格子効果を誘発するように構成された複数のドーピングした領域を具えることを特徴とする光学的放射源。
【請求項２９】
請求項１に記載の光学的放射源において、前記光学的放射源が、マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ＭＥＭＳ）光学干渉計とモノシリックに一体化されており、前記熱赤外線放射を前記ＭＥＭＳ光学干渉計に向けるように構成されていることを特徴とする光学的放射源。
【請求項３０】
請求項１に記載の光学的放射源が更に：
前記加熱素子を駆動する回路と；
前記回路に接続され、前記温度を検出して、フィードバック信号を前記回路に提供して温度を安定化させるように構成されたプロセッサと；
を具えることを特徴とする光学的放射源。
【国際調査報告】
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