特開 2022-104399 プラズモニック構造体、光源、及び波長選択吸収体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022104399

(43)【公開日】2022-07-08

(54)【発明の名称】プラズモニック構造体、光源、及び波長選択吸収体

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/20 20060101AFI20220701BHJP

   C09K 11/67 20060101ALI20220701BHJP

   G02B 5/26 20060101ALI20220701BHJP

【ＦＩ】

G02B5/20

C09K11/67

G02B5/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020219597

(22)【出願日】2020-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000133227

【氏名又は名称】株式会社タムロン

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】李 潔

(72)【発明者】

【氏名】福井 俊矢

【テーマコード（参考）】

2H148

4H001

【Ｆターム（参考）】

2H148AA07

2H148AA12

2H148AA18

2H148FA05

2H148FA15

2H148FA21

4H001XA07

4H001XA72

(57)【要約】

【課題】従来のプラズモニック構造体と比較して、吸収率及び放射率が高い帯域を広帯域化すること。
【解決手段】プラズモニック構造体（１）においては、第１の導体層（１３）と、誘電体層（１２）と、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターン（１１１）であって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターン（１１１）からなる第２の導体層（１１）と、がこの順番で積層されており、各導体パターン（１１１）に外接する円の直径Ｄは、２００ｎｍ≦Ｄ≦８００ｎｍを満たし、誘電体層（１２）の厚みｇと、直径Ｄとは、０．３≦ｇ／Ｄ≦０．６を満たす。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

特定の表面を覆う第１の導体層と、誘電体層と、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターンであって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターンからなる第２の導体層と、がこの順番で積層されたプラズモニック構造体において、
前記複数の導体パターンの各々に外接する円の直径Ｄは、２００ｎｍ≦Ｄ≦８００ｎｍを満たし、
前記誘電体層の厚みｇと、直径Ｄとは、０．３≦ｇ／Ｄ≦０．６を満たす、
ことを特徴とするプラズモニック構造体。

【請求項2】

前記第１の導体層及び前記第２の導体層は、ＨｆＮにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズモニック構造体。

【請求項3】

前記誘電体層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及び、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物の何れかにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズモニック構造体。

【請求項4】

前記複数の導体パターンの２次元配置における周期Ｐと、直径Ｄとは、１．３≦Ｐ／Ｄ≦２．０である、
ことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のプラズモニック構造体。

【請求項5】

前記第２の導体層において、前記複数の導体パターンは、六方配置されている、
ことを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載のプラズモニック構造体。

【請求項6】

基材と、
請求項１～５の何れか１項に記載のプラズモニック構造体であって、前記基材の表面上に前記第１の導体層、前記誘電体層、及び前記第２の導体層がこの順番で積層され、加熱されることにより特定の波長帯域の光を発するプラズモニック構造体と、を備えている、
ことを特徴とする光源。

【請求項7】

基材と、
請求項１～５の何れか１項に記載のプラズモニック構造体であって、前記基材の表面上に前記第１の導体層、前記誘電体層、及び前記第２の導体層がこの順番で積層され、特定の波長帯域の光を吸収するプラズモニック構造体と、を備えている、
ことを特徴とする波長選択吸収素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズモニック構造体、光源、及び波長選択吸収体に関する。

【背景技術】

【0002】

エネルギーを効率よく利用するために、エネルギー輸送プロセスの一部を構成する熱輻射のプロセスの重要性は、きわめて高い。しかし、一般的に、物体からの熱輻射は、幅広い波長帯域すなわち広帯域で起こる。そのため、不要な波長帯域において、熱輻射によるエネルギーロスが生じる。たとえば、白熱電球において、投入電力の大部分は、照明としては不要な赤外線輻射として放出される。すなわち、投入電力の大部分が照明として利用されず無駄にされる。そのため、エネルギーの利用効率を高める観点から、波長選択輻射体が注目を集めている。波長選択輻射体は、材料表面の分光放射率を制御することにより、所望の波長帯域における放射率を向上させつつ、所望の波長帯域以外における放射率を抑制したものである。

【0003】

キルヒホッフの法則によれば、物体の放射率は吸収率に等しい。したがって、材料表面の吸収率の波長依存性（吸収特性とも呼ばれる）を制御することにより、波長選択輻射体が得られる。しかしながら材料固有の吸収特性を利用する方法では、輻射波長を任意に制御することが困難である。そのため、この方法は、自由度が高いとはいえない。

【0004】

一方、材料表面に微細構造を形成することにより分光放射率の制御する技術が近年注目されている。この技術によれば、材料固有の光学特性にとらわれることなく、微細構造のサイズや周期を制御することによって、分光放射率の制御が可能なためである。この方法は、材料表面の吸収特性を制御する方法よりも自由度が高い。

【0005】

微細構造の中でも近年、プラズモニック構造体と呼ばれる構造が提案されている。プラズモニック構造体は、光照射によってプラズモン共鳴を生じる構造体である。したがって、電場が増強されるとともに、光の吸収量が増大する。高効率な光吸収の原理と同様の原理によって、高効率な熱輻射を実現できる。プラズモニック構造体を用いて吸収／輻射率を制御する技術が開示されている文献としては、例えば、特許文献１が挙げられる。

【0006】

特許文献１には、比較的高い融点を有しつつ、比較的大きな光の吸収率及び放射率を有することの可能なプラズモニック構造体が開示されている。特許文献１に記載されたプラズモン共鳴構造体は、可視光領域（４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下）及び近赤外領域（２μｍ以上５．５μｍ以下）において、大きな光の吸収率及び放射率を示す。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１９－７７００７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、材料表面にプラズモニック構造体を成形することにより吸収率を高める方法では、特許文献１に示されるように、吸収率及び放射率が高い（例えば９０％以上）波長帯域の帯域幅が狭くなりやすい。

【0009】

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、従来のプラズモニック構造体と比較して、吸収率及び放射率が高い帯域を広帯域化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を構成するために、本発明の第１の態様に係るプラズモニック構造体においては、特定の表面を覆う第１の導体層と、誘電体層と、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターンであって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターンからなる第２の導体層と、がこの順番で積層された構造が採用されている。

【0011】

そのうえで、第１の態様に係るプラズモニック構造体においては、前記複数の導体パターンの各々に外接する円の直径Ｄは、２００ｎｍ≦Ｄ≦８００ｎｍを満たし、前記誘電体層の厚みｇと、直径Ｄとは、０．３≦ｇ／Ｄ≦０．６を満たす、構造が採用されている。

【0012】

上記の課題を解決するために、本発明の第６の態様に係る光源は、基材と、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体であって、前記基材の表面上に前記第１の導体層、前記誘電体層、及び前記第２の導体層がこの順番で積層され、加熱されることにより特定の波長帯域の光を発するプラズモニック構造体と、を備えている。

【0013】

上記の課題を構成するために、本発明の第７の態様に係る波長選択吸収素子は、基材と、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に記載のプラズモニック構造体であって、前記基材の表面上に前記第１の導体層、前記誘電体層、及び前記第２の導体層がこの順番で積層され、特定の波長帯域の光を吸収するプラズモニック構造体と、を備えている、構成が採用されている。

【発明の効果】

【0014】

本発明の一態様に係るプラズモニック構造体よれば、従来のプラズモニック構造体と比較して、吸収率及び放射率が高い帯域を広帯域化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係るプラズモニック構造体の一部を拡大した斜視図である。

【図2】図１に示したプラズモニック構造体の一部の平面図である。

【図3】図１に示したプラズモニック構造体の一部の断面図である。

【図4】図１に示したプラズモニック構造体が含む複数の導体パターンにおける周期的な２次元配置の別の例を示す平面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係るプラズモニック構造体の製造方法を示す模式図である。

【図6】本発明の一実施例に係るプラズモニック構造体における反射率と、周期と、波長との関係を示す画像である。

【図7】本発明の第１の実施例～第４の実施例に係るプラズモニック構造体における反射率の波長依存性を示すグラフである。

【図8】本発明の第２の実施例に係るプラズモニック構造体のＳＥＭ画像である。

【図9】本発明の第２の実施例に係るプラズモニック構造体における反射率の波長依存性の測定結果及び計算結果を示すグラフである。

【図10】本発明の第１の比較例に係るプラズモニック構造体における反射率と、周期と、波長との関係を示す画像である。

【図11】本発明の第２の比較例に係るプラズモニック構造体における反射率と、周期と、波長との関係を示す画像である。

【図12】第２の実施例、第１の比較例、及び第２の比較例に係るプラズモニック構造体における反射率の波長依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の一実施形態に係るプラズモニック構造体１について、図１～図５を参照して説明する。図１は、プラズモニック構造体１の一部を拡大した斜視図である。図２は、図１に示したプラズモニック構造体１の一部の平面図である。なお、図２の平面図は、プラズモニック構造体１を、導体層１１の側から、プラズモニック構造体１の主面に対する法線の方向からみることによって得られる。図３は、図１及び図２に示したプラズモニック構造体１の一部の断面図である。なお、図３は、図２に示したＡ－Ａ線に沿った断面を示している。図４は、プラズモニック構造体１が含む複数の導体パターン１１１における周期的な２次元配置の別の例を示す平面図である。図５は、プラズモニック構造体１の製造方法の一例を示す模式図である。

【0017】

〔プラズモニック構造体の概要〕
プラズモニック構造体１は、図１には図示していない基材の表面上に形成することを想定している。本実施形態において、基材を含むプラズモニック構造体１は、高温（例えば５００℃以上）に加熱できる材料により構成されている。基材を含むプラズモニック構造体１を加熱する手法は、限定されるものではないが、例えば、ヒーターを用いる方法、又は、基材を含むプラズモニック構造体１に電流を流す方法が挙げられる。ヒーターにより加熱されたプラズモニック構造体１、又は、流された電流に起因するジュール熱により加熱されたプラズモニック構造体１は、到達した温度に対応した発光強度を有する光を放射する。なお、電流を流すことによりプラズモニック構造体１を加熱する場合、基材（誘電体の場合）、及び導体層１３の何れかに少なくとも一対の電極を設けておけばよい。各電極は、基材、及び導体層１３のうち、同じ部材に接続されていてもよいし、異なる部材に接続されていてもよい。なお、基材を構成する材料については、その導電性を問わない。すなわち、基材を構成する材料の導電特性は、金属的であってもよいし、半導体的であってもよい。また、基材を構成する材料は、絶縁体又は誘電体であってもよい。

【0018】

基材を構成する材料は、限定されるものではなく、半導体、ガラス、金属、及び、半金属の何れかであればよい。半導体の例としては、シリコン（Ｓｉ）が挙げられる。ガラスの例としては、石英が挙げられる。金属の例としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、及び、ニッケル－クロム（Ｎｉ－Ｃｒ）系合金が挙げられる。半金属の例としては、カーボン材料が挙げられる。

【0019】

また、図１～図３には、プラズモニック構造体１の一部を拡大した状態で図示している。そのため、図１，図２には、９個の導体パターン１１１のみが図示され、図３には、３個の導体パターン１１１のみが図示されている。ただし、プラズモニック構造体１の主面を平面視した場合のプラズモニック構造体１のサイズは、基材のサイズに対応して任意に定めることができる。すなわち、プラズモニック構造体１の導体層１１を構成する導体パターン１１１の数は、基材のサイズに対応して任意に定めることができる。

【0020】

このように、基材と、当該基材の表面上に、導体層１３、誘電体層１２、及び導体層１１がこの順番で積層されたプラズモニック構造体１と、を備え、加熱されることにより特定の波長帯域の光を発する光源も本願発明の範疇に含まれる。

【0021】

このような光源によれば、通常の赤外線光源と比較して所望の波長帯域における放射率を向上させつつ、所望の波長帯域以外における放射率を抑制して、エネルギーの利用効率を高めることができる。このような光源を分光装置などに適用した場合は、分光装置の温度上昇を抑制できる。また、プラズモニック構造体１は、導体パターンの直径Ｄを制御することによって、特定の波長帯域における中心波長（光源の場合は、発光中心波長）を調整することができる。なお、発光中心波長は、直径Ｄの増加とともに長くなる。直径Ｄを制御することによって、発光中心波長は、例えば５００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲内において調整することができる。

【0022】

また、基材の表面上に、導体層１３、誘電体層１２、及び導体層１１がこの順番で積層され、特定の波長帯域の光を吸収するプラズモニック構造体１と、を備えた波長選択吸収素子も本願発明の範疇に含まれる。

【0023】

このような波長選択吸収素子の適用例としては、太陽熱光電力発電システム（Solar-TPV）が挙げられる。Solar-TPVは、太陽光吸収材で太陽エネルギーの全てを一旦熱エネルギーとして変換し、熱輻射エミッターにより太陽電池が発電しやすい熱輻射光を放射させるものである。太陽から放射される光は、幅広い波長分布を持っている。しかし単接合太陽電池は、使用される半導体材料のバンドギャップより短波長の光しか電気に変換できない。つまりバンドギャップより長波長の光は電気に変換されず損失となってしまう。プラズモニック構造体１は、吸収できる波長域を拡げることで幅広い波長分布を持つ太陽光スペクトルを無駄なく電気に変換できる。したがって、プラズモニック構造体１は、波長選択性を持つ吸収素子、又は熱輻射エミッターとして適用可能である。この場合、特定の波長帯域の具体例としては、６００ｎｍ以上１．５μｍ以下が挙げられる。

【0024】

また、このような波長選択吸収素子の別の適用例としては、表面増強ラマン散乱分析において用いられる下地が挙げられる。上述したように、プラズモニック構造体１は、導体パターンの直径Ｄに応じた特定の波長帯域の光を吸収する。プラズモニック構造体１は、吸収した光のエネルギーを利用し、表面に吸着した分子のラマンシグナルを増強できる。したがって、プラズモニック構造体１を表面増強ラマン散乱分析において用いられる下地に適用することにより、生体を透過する近赤外光で高感度なラマン散乱分析が可能である。なお、この場合、特定の波長帯域の具体例としては、９００ｎｍ以上２μｍ以下が挙げられる。

【0025】

〔プラズモニック構造体の構成〕
図１に示すように、プラズモニック構造体１は、導体層１１と、誘電体層１２と、導体層１３とを備えている。導体層１１は、第２の導体層の一例であり、導体層１３は、第１の導体層の一例である。

【0026】

＜第１の導体膜＞
導体層１３は、基材の表面上に、当該基材の表面を覆うように形成された導体製の膜により構成されている。なお、基材の表面は、特定の表面の一例である。図１及び図３においては、図示を省略しているものの、導体層１３の主面のうち下側に位置する主面の下層に基材が配置されている。

【0027】

本実施形態においては、導体層１３を構成する材料として窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を採用している。ただし、導体層１３を構成する材料は、ＨｆＮに限定されるものではなく、金属的な導電特定を有する材料であればよい。使用時に高温になることが想定される基材の表面上にプラズモニック構造体１を形成する場合、導体層１３を構成する材料は、ＨｆＮのように融点が高い材料であることが好ましい。

【0028】

なお、基材の表面のうちプラズモニック構造体１を形成する領域（すなわち導体層１３を形成する領域）は、基材の表面の全部であってもよく、基材の表面の一部であってもよく、適宜定めることができる。

【0029】

本実施形態においては、導体層１３の厚みとして１００ｎｍを採用している。ただし、導体層１３の厚みは、限定されるものではなく、例えば、１００ｎｍ以上の範囲内において適宜定めることができる。

【0030】

＜誘電体膜＞
誘電体層１２は、導体層１３の主面のうち基材と逆側の主面上に、前記基材と逆側の主面を覆うように形成された誘電体製の膜により構成されている。図１及び図３においては、導体層１３の上側に位置する主面の上層に誘電体層１２が設けられている。

【0031】

本実施形態においては、誘電体層１２を構成する材料として酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を採用している。ただし、誘電体層１２を構成する材料は、ＳｉＯ_２に限定されるものではなく、所定の波長帯域の光に対して透光性を有し、且つ、絶縁体であればよい。このような材料の例としては、絶縁性の酸化物が挙げられる。なお、使用時に高温になることが想定される基材の表面上にプラズモニック構造体１を形成する場合、誘電体層１２を構成する材料は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及び、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物の何れかであることが好ましい。

【0032】

誘電体層１２の厚みｇ（図３参照）は、後述する各導体パターン１１１の直径Ｄ（図３参照）に対応して定められる。具体的には、厚みｇ及び直径Ｄの各々は、０．３≦ｇ／Ｄ≦０．６を満たすように定められる。すなわち、厚みｇは、０．３×Ｄ≦ｇ≦０．６×Ｄを満たすように定められる。

【0033】

＜第２の導体層＞
導体層１１は、誘電体層１２の主面のうち誘電体層１２と逆側の主面上に形成されている。図１及び図３においては、誘電体層１２の上側に位置する主面の上層に導体層１１が設けられている。

【0034】

導体層１１は、各々が円形状である複数（図１及び図２には９個）の導体パターン１１１からなる。ただし、各導体パターン１１１の形状は、円形状に限定されるものではなく、正多角形状であってもよい。当該正多角形状の好ましい例としては、正六角形状が挙げられる。以下において、円形状とは、円形と、円形をベースとしてその輪郭に製造工程に起因する等方的ではないばらつき及び不規則なばらつきが生じた形状とを含む。例えば、図８に示した本発明の第２の実施例が含む導体パターン１１１の形状は、円形状の例である。同様に、正多角形状とは、正多角形状と、正多角形状をベースとしてその輪郭に製造工程に起因する等方的ではないばらつき及び不規則なばらつきが生じた形状とを含む。

【0035】

なお、符号１１１は、複数の導体パターン１１１のうち１つの導体パターン１１１のみに付している。図１及び図２に示すように、複数の導体パターン１１１は、誘電体層１２の主面上に、２次元的に、且つ、周期的に配置されている。本実施形態においては、図２に示すように、導体パターン１１１の周期的な２次元配置として正方配置を採用している。ただし、この周期的な２次元配置は、正方配置に限定されるものではなく、例えば、図４に示すように六方配置であってもよい。

【0036】

各導体パターン１１１に外接する円の直径Ｄは、２００ｎｍ≦Ｄ≦８００ｎｍを満たすように定められている。本実施形態のように、各導体パターン１１１の形状が円形状である場合、各導体パターン１１１に外接する円は、各導体パターン１１１の形状に略一致する。直径Ｄと、回折モードとプラズモモードとが結合したモードに起因する吸収帯における中心波長とは、正の相関を有している。したがって、直径Ｄを２００ｎｍ≦Ｄ≦８００ｎｍの範囲内において適宜設定することによって、プラズモン吸収の吸収帯における中心波長を任意に調整することができる。中心波長を調整可能な範囲としては、図７に示すように、例えば、およそ１μｍ以上２．６μｍ以下が挙げられる。

【0037】

また、複数の導体パターン１１１のうち隣接する導体パターン１１１同士の中心間隔である周期Ｐは、直径Ｄに対応して定められる。具体的には、周期Ｐ及び直径Ｄの各々は、１．３≦Ｐ／Ｄ≦２．０を満たすように定められる。すなわち、周期Ｐは、１．３×Ｄ≦Ｐ≦２．０×Ｄを満たすように定められる。

【0038】

また、各導体パターン１１１の厚みｈは、本実施形態において４０ｎｍである。ただし、厚みｈは、これに限定されるものではなく、適宜定めることができる。

【0039】

〔プラズモニック構造体の製造方法〕
プラズモニック構造体１の製造方法の一例について、図５を参照して説明する。本実施形態においては、導体層１１を構成する複数の導体パターン１１１をパターニングするために、電子線リソグラフィーを用いている。ただし、このパターニングにおいて用いるリソグラフィーは、所望の解像度を実現可能なリソグラフィーであれば電子線リソグラフィーに限定されるものではない。電子線リソグラフィー以外のリソグラフィーとしては、ＵＶリソグラフィーが挙げられる。なお、ＵＶリソグラフィーにおいて用いる紫外線の波長は、適宜選択することができる。この紫外線の波長は、例えば、ＤＵＶ（Deep ultraviolet）領域に含まれていてもよいし、ＥＵＶ（extreme ultraviolet）領域に含まれていてもよい。

【0040】

また、図４に示すように、複数の導体パターン１１１における周期的な２次元は一が六方配置である場合には、上述したパターニングにおいて、干渉露光を用いることもできる。干渉露光において、干渉光の強度が高い領域が六方配置に対応したパターンになるためである。

【0041】

なお、干渉露光について簡単に説明すれば以下の通りである。空間的に可干渉な照明下にある回折格子が設けられている場合、回折格子から特定の距離において、回折格子と同じ周期の強度パターンが形成される。干渉露光は、タルボ効果によって生じる一周期において、強度分布を統合する技術である。フォトレジストＲを露光するときに干渉露光を用いることによって、クロスオーダー干渉を無くすことができる。

【0042】

図５に示すように、プラズモニック構造体１の製造方法は、成膜工程Ｓ１１と、スピンコート工程Ｓ１２と、リソグラフィー工程Ｓ１３と、成膜工程Ｓ１４と、リフトオフ工程Ｓ１５と、を含んでいる。また、本製造方法においては、プラズモニック構造体１を形成する基材Ｂとして、Ｓｉ製のウェハを用いる。

【0043】

成膜工程Ｓ１１は、基材Ｂの一方の主面上に、導体層１３及び誘電体層１２の各々を、それぞれが所定の膜厚になるように成膜する工程である。本実施形態においては、導体層１３及び誘電体層１２の各々の成膜方法としてスパッタリング法を用いている。ただし、導体層１３及び誘電体層１２の各々の成膜方法は、これに限定されるものではない。

【0044】

スピンコート工程Ｓ１２は、成膜工程Ｓ１１の後に実施する工程であり、誘電体層１２の一方の主面であって、導体層１３と逆側の主面上に、フォトレジストＲをスピンコートにより塗布する工程である。

【0045】

リソグラフィー工程Ｓ１３は、スピンコート工程Ｓ１２の後に実施する工程であり、電子線リソグラフィーを用いて複数の導体パターン１１１に対応するようにフォトレジストＲを露光し、そのフォトレジストＲを現像する工程である。

【0046】

成膜工程Ｓ１４は、リソグラフィー工程Ｓ１３の後に実施する工程であり、フォトレジストＲの一方の主面であって、誘電体層１２と逆側の主面上に、導体層１１を成膜する工程である。本実施形態においては、導体層１１の成膜方法としてスパッタリング法を用いている。ただし、導体層１１の成膜方法は、これに限定されるものではない。

【0047】

リフトオフ工程Ｓ１５は、成膜工程Ｓ１４の後に実施する工程であり、溶剤を用いてフォトレジストＲを除去する工程である。この工程により、フォトレジストＲ上に成膜された導体層１１は、フォトレジストＲと一緒に除去される。

【0048】

以上の工程を実施することによって、プラズモニック構造体１を製造することができる。

【実施例0049】

本発明の実施例群を構成する第１の実施例～第４の実施例であるプラズモニック構造体１について、図６～図９を参照して説明する。また、第１の実施例～第４の実施例と対比しつつ、本発明の第１の比較例及び第２の比較例であるプラズモニック構造体について、図１０～図１２を参照して説明する。図６は、第２の実施例における反射率と、周期と、波長との関係を示す画像である。図７は、第１の実施例～第４の実施例における反射率の波長依存性を示すグラフである。図８は、第２の実施例のＳＥＭ画像である。図９は、第２の実施例における反射率の波長依存性の測定結果及び計算結果を示すグラフである。図１０は、第１の比較例における反射率と、周期と、波長との関係を示す画像である。図１１は、第２の比較例における反射率と、周期と、波長との関係を示す画像である。図１２は、第２の実施例、第１の比較例、及び第２の比較例における反射率の波長依存性を示すグラフである。

【0050】

第１の実施例～第４の各々においては、プラズモニック構造体１において、直径Ｄ、周期Ｐ、厚みｇ、及び厚みｈの各設計パラメータを以下のように設定した。また、ｇ／Ｄ及びＰ／Ｄを併せて記載する。なお、直径Ｄ、周期Ｐ、厚みｇ、及び厚みｈの各々が指し示す寸法については、図３に示す通りである。

【0051】

第１の実施例：Ｄ＝２００ｎｍ、Ｐ＝３００ｎｍ、ｇ＝１００ｎｍ、ｈ＝４０ｎｍ、ｇ／Ｄ＝０．５、Ｐ／Ｄ＝１．５
第２の実施例：Ｄ＝４００ｎｍ、Ｐ＝６５０ｎｍ、ｇ＝１８０ｎｍ、ｈ＝４０ｎｍ、ｇ／Ｄ＝０．４５、Ｐ／Ｄ＝１．６２５
第３の実施例：Ｄ＝６００ｎｍ、Ｐ＝１０５０ｎｍ、ｇ＝２４０ｎｍ、ｈ＝４０ｎｍ、ｇ／Ｄ＝０．４、Ｐ／Ｄ＝１．７５
第４の実施例：Ｄ＝８００ｎｍ、Ｐ＝１４００ｎｍ、ｇ＝３４０ｎｍ、ｈ＝４０ｎｍ、ｇ／Ｄ＝０．４２５、Ｐ／Ｄ＝１．１．７５
また、第１の比較例及び第２の比較例の各々においては、第２の比較例の構成をベースとして、それぞれ、厚みｇを以下のように変更した。また、ｇ／Ｄを併せて記載する。

【0052】

第１の比較例：ｇ＝８０ｎｍ、ｇ／Ｄ＝０．２
第２の比較例：ｇ＝２８０ｎｍ、ｇ／Ｄ＝０．７
以上のように、第１の比較例は、ｇ／Ｄが０．３より小さく、第２の比較例は、ｇ／Ｄが０．６よりも大きい。

【0053】

〔シミュレーション結果〕
第２の実施例の設計パラメータをベースにし、周期Ｐを０．４μｍ以上１．２μｍ以下の間で変化させた場合について、反射率のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、プラズモニック構造体１の主面に対する法線の方向から、プラズモニック構造体１に直線偏光を入射するものとした。シミュレーションは、有限差分時間領域法（FDTD法）に基づいて行った。また、直線偏光の波長を４００ｎｍ以上３μｍ以下とした。なお、図６においては、グレースケールバーを用いて反射率を表している。ここで、反射率と吸収率との関係式（吸収率＝１－反射率）を用いることによって反射率を吸収率に読み替えられる。なお、以下においては、吸収率が９０％以上となる波長帯域（すなわち反射率が１０％以下となる波長帯域）を吸収率が高い帯域（すなわち放射率が高い帯域）と見做す。

【0054】

図６によれば、第２の実施例の設計パラメータをベースにしたプラズモニック構造体１においては、回折モードとプラズモモードとが結合したモードの吸収の吸収帯が幅広い波長帯域にわたって存在していることが分かった。

【0055】

図１２の第２の実施例（ｇ＝１８０ｎｍ）のプロットによれば、第２の実施例は、およそ１．０μｍ以上２．２μｍ以下の波長帯域において吸収率が９０％以上となることが分かった。すなわち、第２の実施例においては、吸収率が高い帯域幅がおよそ１．２μｍであることが分かった。

【0056】

図１０によれば、第１の比較例の設計パラメータをベースにしたプラズモニック構造体においては、回折モードとプラズモモードとが独立した状態で誘起されることが分かった。

【0057】

図１２の第１の比較例（ｇ＝８０ｎｍ）のプロットによれば、第１の比較例は、およそ０．７μｍ以上０．８μｍ以下の波長帯域において吸収率が９０％以上となることが分かった。すなわち、第１の比較例においては、吸収率が高い帯域幅がおよそ０．１μｍであることが分かった。

【0058】

図１１によれば、第２の比較例の設計パラメータをベースにしたプラズモニック構造体においては、回折モードとプラズモモードとが結合したモードが消滅していることが分かった。

【0059】

図１２の第２の比較例（ｇ＝２８０ｎｍ）のプロットによれば、第２の比較例は、吸収率が９０％以上となる波長帯域は存在しないことが分かった。このことから、厚みｇを厚くしすぎた場合、強い吸収を伴うプラズモン共鳴を誘起できないことが分かった。

【0060】

次に、第１の実施例～第４の実施例について同様にシミュレーションを行った結果について説明する。

【0061】

図７の第１の実施例のプロットによれば、第１の実施例は、およそ０．６５μｍ以上１．４５μｍ以下の波長帯域において吸収率が９０％以上となることが分かった。すなわち、第１の実施例においては、吸収率が高い帯域幅がおよそ０．８μｍであることが分かった。また、吸収率が高い吸収帯の中心波長は、およそ１．０μｍであることが分かった。

【0062】

図７の第２の実施例のプロットによれば、第２の実施例は、およそ１．０μｍ以上２．２μｍ以下の波長帯域において吸収率が９０％以上となることが分かった。すなわち、第２の実施例においては、吸収率が高い帯域幅がおよそ１．２μｍであることが分かった。また、吸収率が高い吸収帯の中心波長は、およそ１．６μｍであることが分かった。

【0063】

図７の第３の実施例のプロットによれば、第３の実施例は、およそ１．４μｍ以上２．７μｍ以下の波長帯域において吸収率が９０％以上となることが分かった。すなわち、第３の実施例においては、吸収率が高い帯域幅がおよそ１．３μｍであることが分かった。また、吸収率が高い吸収帯の中心波長は、およそ２．１μｍであることが分かった。

【0064】

図７の第４の実施例のプロットによれば、第４の実施例は、およそ１．９μｍ以上３．５μｍ以下の波長帯域において吸収率が９０％以上となることが分かった。すなわち、第２の実施例においては、吸収率が高い帯域幅がおよそ１．６μｍであることが分かった。また、吸収率が高い吸収帯の中心波長は、およそ２．７μｍであることが分かった。

【0065】

以上のように、直径Ｄを２００ｎｍ≦Ｄ≦８００ｎｍの範囲内において適宜設定することによって、中心波長をおよそ１．０μｍ以上２．７μｍ以下の範囲内において調整可能なことが分かった。

【0066】

なお、上記のシミュレーションでは、各実施例におけるプラズモニック構造体１の構造（各パラメータの設定）に対して吸収率の高い特定の波長帯域の特性を示したが、これらの特性はプラズモニック構造体を加熱することによる発光でも同様の特性を示す。キルヒホッフの法則によれば、物体の放射率は吸収率に等しいためである。このように、プラズモニック構造体の各パラメータを適宜設定することにより、可視光域から赤外線域までの任意の特定の波長帯域の光を吸収するプラズモニック構造体（すなわち、波長選択吸収素子）、及び、可視光域から赤外線域までの任意の特定の波長帯域の光を発するプラズモニック構造体（すなわち、光源）を構成することができる。

【0067】

〔実測結果〕
次に、図５に示した製造方法を用いて第２の実施例のプラズモニック構造体１を製造した。実際に製造したプラズモニック構造体１においても、複数の導体パターン１１１が周期的に２次元配置していることが分かった（図８参照）。

【0068】

図９によれば、実際に製造した第２の実施例は、およそ１．０μｍ以上２．０μｍ以下の波長帯域において吸収率が９０％以上となることが分かった。すなわち、実際に製造した第２の実施例においては、吸収率が高い帯域幅がおよそ１．０μｍであることが分かった。また、吸収率が高い吸収帯の中心波長は、およそ１．５μｍであることが分かった。

【0069】

以上の結果から、実際に製造したプラズモニック構造体１において、回折モードとプラズモモードとが結合したモードが誘起されており、幅広い帯域において高い吸収率を示すことが分かった。また、実際に製造したプラズモニック構造体１の反射特性をシミュレーションにより得られた反射特性と比較した場合、吸収率が高い帯域幅がわずかに狭くなるものの、同様の傾向を示し、概ね一致していることが分かった。

【0070】

〔まとめ〕
本発明の第１の態様に係るプラズモニック構造体においては、特定の表面を覆う第１の導体層と、誘電体層と、２次元的に、且つ、周期的に配置された複数の導体パターンであって、各々が円形状又は正多角形状である複数の導体パターンからなる第２の導体層と、がこの順番で積層された構造が採用されている。

【0071】

そのうえで、第１の態様に係るプラズモニック構造体においては、前記複数の導体パターンの各々に外接する円の直径Ｄは、２００ｎｍ≦Ｄ≦８００ｎｍを満たし、前記誘電体層の厚みｇと、直径Ｄとは、０．３≦ｇ／Ｄ≦０．６を満たす、構造が採用されている。

【0072】

従来のプラズモニック構造体においては、もっぱら、表面プラズモン共鳴に起因するプラズモン吸収を用いていた。したがって、従来のプラズモニック構造体により得られる吸収帯の帯域幅は主に導体パターンの直径によって決まり、狭かった。

【0073】

上記の構成によれば、従来のプラズモニック構造体よりも厚い厚みｇを採用し、厚みｇ及び直径Ｄが０．３≦ｇ／Ｄを満たすことによって、回折モードとプラズモモードとが結合したモードを誘起することができる。そのため、第１の態様に係るプラズモニック構造体は、回折モードとプラズモモードとが結合したモードに起因する吸収を用いることができる。

【0074】

回折モードとプラズモモードとが結合したモードは、プラズモモードより幅広い帯域において誘起される。したがって、第１の態様に係るプラズモニック構造体は、従来のプラズモニック構造体と比較して、吸収率が高い帯域を広帯域化することができる。なお、キルヒホッフの法則によれば、物体の放射率は吸収率に等しいため、第１の態様に係るプラズモニック構造体は、従来のプラズモニック構造体と比較して、放射率が高い帯域を広帯域化することができる。

【0075】

なお、厚みｇを厚くしすぎた場合、プラズモモードが弱くなるため、回折モードとプラズモモードとが結合したモードを誘起できなくなる。上記の構成によれば、厚みｇ及び直径Ｄがｇ／Ｄ≦０．６を満たすことによって、回折モードとプラズモモードとが結合したモードを誘起できなくなることを避けることができる。

【0076】

また、本発明の第２の態様に係るプラズモニック構造体においては、上述した第１の態様に係るプラズモニック構造体の構成に加えて、前記第１の導体層及び前記第２の導体層は、ＨｆＮにより構成されている、構成が採用されている。

【0077】

ＨｆＮ（窒化ハフニウム）は、融点が２５７３℃であり、プラズモニック構造体を構成する材料として多く用いられるＡｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、及びＦｅ（鉄）よりも高い融点を有する。したがって、第２の態様に係るプラズモニック構造体は、上述した金属材料を含むプラズモニック構造体よりも耐熱性を高めることができる。融点が３０００℃程度である高融点金属として、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、及びＭｏ（モリブデン）が知られている。しかし、これらの高融点金属は、赤外域において誘電率の実部が負であるものの、可視域において誘電率の実部が正である。したがって、これらの高融点金属は、可視域においてプラズモニック効果を生じない。可視光を含む広い波長域にわたってプラズモニック効果を示すためには、第１の導体層及び第２の導体層を構成する材料として、高い融点を有し、且つ、可視域でも誘電率が負となるＨｆＮが好適である。

【0078】

また、本発明の第３の態様に係るプラズモニック構造体においては、上述した第１の態様又は第２の態様に係るプラズモニック構造体の構成に加えて、前記誘電体層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及び、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物の何れかにより構成されている、構成が採用されている。

【0079】

上記の構成によれば、プラズモニック構造体の耐熱性を確実に高めることができる。

【0080】

また、本発明の第４の態様に係るプラズモニック構造体においては、上述した第１の態様～第３の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体の構成に加えて、前記複数の導体パターンの２次元配置における周期Ｐと、直径Ｄとは、１．３≦Ｐ／Ｄ≦２．０である、構成が採用されている。

【0081】

上記の構成によれば、プラズモモードを十分に強くすることができるので、回折モードとプラズモモードとが結合したモードを確実に誘起することができる。したがって、第４の態様に係るプラズモニック構造体は、従来のプラズモニック構造体と比較して、吸収率が高い帯域を確実に広帯域化することができる。

【0082】

また、本発明の第５の態様に係るプラズモニック構造体は、上述した第１の態様～第４の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体の構成に加えて、前記第２の導体層において、前記複数の導体パターンは、六方配置されている、構成が採用されている。

【0083】

上記の構成によれば、前記複数の導体パターンの配置が六方配置以外である場合と比較して、前記複数の導体パターンを容易に作製することができる。前記複数の導体パターンを露光する場合に、電子ビーム露光の代わりに干渉露光を利用可能なためである。

【0084】

本発明の第６の態様に係る光源は、基材と、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体であって、前記基材の表面上に前記第１の導体層、前記誘電体層、及び前記第２の導体層がこの順番で積層され、加熱されることにより特定の波長帯域の光を発するプラズモニック構造体と、を備えている。

【0085】

上記の構成によれば、第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体と同様の効果を奏する。また、第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体を用いて光源における分光放射率の制御することができるので、光源におけるエネルギーロスを低減することができる。

【0086】

本発明の第７の態様に係る波長選択吸収素子は、基材と、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に記載のプラズモニック構造体であって、前記基材の表面上に前記第１の導体層、前記誘電体層、及び前記第２の導体層がこの順番で積層され、特定の波長帯域の光を吸収するプラズモニック構造体と、を備えている、構成が採用されている。

【0087】

上記の構成によれば、第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体と同様の効果を奏する。また、第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係るプラズモニック構造体を用いることにより、特定の波長帯域の光を選択することができる。

【0088】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0089】

１ プラズモニック構造体
１１ 導体層（第２の導体層）
１１１ 導体パターン
１２ 誘電体層
１３ 導体層（第１の導体層）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】