CN107390305A - 双频带全光吸收器结构 - Google Patents

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刘桂强
黄镇平
张后交
陈戬
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Abstract

一种双频带全光吸收器结构，所述全光吸收器为银‑单晶硅复合结构，通过在不透光的银膜层上雕刻圆环形沟槽的周期性阵列结构，然后在沟槽中填充单晶硅材料。本发明利用银膜层的不透光特性以及银沟槽提供的电磁共振行为以及单晶硅环形腔体的光学共振响应，实现了在可见光‑近红外频段的双频带全光吸收。该银‑单晶硅复合结构具有吸收光谱在频域上可调谐和结构简单的特性，特别是单晶硅材料由于是嵌套在金属银膜层中，因而可以更为有效地受到金属结构等离激元共振效应的强近场局域与增强效应。

Description

双频带全光吸收器结构
技术领域
本发明涉及一种双频带全光吸收器结构，用于在可见光-近红外频段的双频带光吸收与光学陷波以及半导体光电转换和光电检测等方面，属于光电功能材料与技术领域。
背景技术
在电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率匹配就会产生电磁共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动，形成一种特殊的电磁模式--等离激元共振模式。此时，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象称为表面等离激元现象。运用等离激元共振模式局限于金属结构表面，能亚波长区域产生很强的电磁场增强效应，可以在光与物质相互作用方面包括近场光学、光学传感与检测和高分辨成像等领域产生巨大的应用前景。
在光电功能材料与技术领域中，Landy课题组于2008年提出并在微波波段获得验证电磁波完美吸收器(《Physical Review Letters》第100卷，第207402页(2008))。在结构中，通过电磁共振现象实现了结构在共振波长处既没有反射(反射率接近为0)也没有透射(透射率为0)，从而根据吸收A＝1-R-T(其中A代表吸收率，R代表反射率，T代表透射率)的定义可以得到吸收率A接近100％的全光吸收。但此种结构只能吸收单一共振波长的电磁波；且中间介质绝缘膜层为低介电材料，并没有光电功能材料比如半导体材料等。此后，基于金属和介质复合共振体系产生全光吸收响应的结构有很多，主要是通过金属-介质-金属三层或金属-介质的成对多层结构所支持的电磁共振模式来实现全光吸收，但这些结构体系也往往只能提供单一频段的全光吸收，且所有全光吸收结构中的介质都不涉及半导体材料(《Laser Photonics Reviews》，第8卷，第495页(2014))。
而要有效地实现光生载流子以及其他光电响应，半导体材料以及基于半导体材料的光完美吸收器是不可或缺的，可以说，基于半导体材料的光完美吸收器是实现电磁波吸收器在红外光电检测器件、光电子功能器件、光电材料和光电集成等领域应用的必要条件。
进一步地，在设计金属-单晶硅复合型全光吸收结构的同时，如何实现半导体材料单晶硅处于金属等离激元共振模式区域之中，则是推动和最终实现器件应用的关键所在。然而，时至今日，几乎所有全光吸收器在如何引入硅材料以及如何实现硅材料处于强电磁场共振范围内的方法和技术上都存在明显的不足和缺陷。
通过利用金属膜层反射器和介质分布布拉格反射器以及衍射光栅等结构，专利CN101521236 B公开了一种用于薄膜太阳电池的陷光结构。专利CN 105938209 A公开了由第一和第二光吸收体组成一种光吸收器，但其结构至少一方吸收体需要进行冷却。专利CN100427971 C公开了一种由远比光波长小的周期性排列在曲面上的抗反射结构元件组成的光吸收构件。这些已公开的专利技术都存在技术科目繁多、结构体系复杂、结构尺寸或厚度远大于所述光的共振波长、光吸收器结构中缺乏运用用光电功能材料包括太阳能电池与光伏器件所需的硅材料，因而都不利于在功能型光电器件的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于银-单晶硅复合结构的双频带全光吸收器。
本发明的双频带全光吸收器结构，它包括银膜层、单晶硅的环形腔体阵列，自下而上依次设置银膜层、单晶硅的环形腔体阵列，所述银膜层与单晶硅的环形腔体阵列配合形成具有双频带全光吸收特性的全光吸收器结构。
进一步的，银膜层的厚度不小于200nm。所述银膜层的优选厚度为200nm～250nm。
所述硅材料为单晶硅。
银膜层结构可通过物理沉积法获得；物理沉积法包括离子溅射法、脉冲沉积法、磁控溅射法、真空热蒸镀、电子束镀膜等。
通过在不透光的银膜层上雕刻圆环形沟槽的周期性阵列结构，然后在沟槽中填充单晶硅材料形成单晶硅的环形腔体阵列。银膜层上的圆环形沟槽周期性阵列结构可通过紫外光刻技术和纳米球模板压印法等技术进行雕刻。
单晶硅的环形腔体阵列可通过物理沉积法包括离子溅射法、脉冲沉积法、磁控溅射法、真空热蒸镀、电子束镀膜等进行已镂空的银膜层的圆环形沟槽填充技术获得。
本发明的有益效果：本发明利用银膜层的不透光特性以及银沟槽提供的电磁共振行为以及单晶硅环形腔体的光学共振响应，实现了在可见光-近红外频段的双频带全光吸收。该银-单晶硅复合结构具有吸收光谱在频域上可调谐和结构简单的特性，特别是单晶硅材料由于是嵌套在金属银膜层中，因而可以更为有效地受到金属结构等离激元共振效应的强近场局域与增强效应；这种银-单晶硅的嵌套复合结构不仅仅实现了单晶硅材料由高光反射到低光反射和全光吸收的转变而且更便于单晶硅材料本身的光电响应特性被其所处金属银结构的共振效应所增强，因此本发明双频带全光吸收器在实现常规的光吸收的同时还极大地提高了单晶硅材料所处电磁场的强度，非常有利于此类结构在光电转换包括可见光-近红外频段的光电检测和光谱探测以及热电子领域的应用；单晶硅材料本身的光电响应特性被其所处金属银结构的共振效应所增强。因而在光电功能材料与器件领域都具有非常重要的意义和应用价值。
附图说明
下面结合附图进一步解释和详细说明本发明的内容。但是，以下附图仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚展示本发明所涉及器件的结构，对其中选定的金属膜层区域的厚度进行了适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，如下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。
图1是本发明中双频带全光吸收器结构的示意图。
图2是本发明一可选实施方案中双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为200nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为440nm和320nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为500nm。
图3是本发明一可选实施方案中双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为200nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为460nm和360nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为500nm。
图4是本发明一可选实施方案中双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为250nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为500nm和380nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为560nm。
图5是本发明一可选实施方案中双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为200nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为600nm和460nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为660nm。
图中标记：1、单晶硅的环形腔体，2、银膜层。
具体实施方式
参阅图1，图1系本发明基于双频带全光吸收器结构示意图，自下而上依次设置银膜层2、单晶硅的环形腔体1；银膜层的厚度不小于200nm，优选厚度为200nm～250nm；通过优化设计如图1所示的单晶硅的环形腔体和阵列的结构参数，可得到预设光谱范围的双频带全光吸收。本发明中选用的单晶硅半导体材料，易于高效利用其内在的半导体光电功能属性进行光生载流子、光电特性、半导体能带的调控。同时，金属银膜层可以作为完美电导层可以与外界电源或电泵浦单元连通，同时可作为在电磁共振下产生大量自由电子进入单晶硅半导体材料内而形成热电子的有源层，从而为光电转换和电控操作提供通道和器件集成的便利。
下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明：
实施例1
参阅图2，图2系本实施例双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为200nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为440nm和320nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为500nm。在可见-近红外频段内，呈现了一个双频带全光吸收。双频带全光吸收分别在波长641nm处的强度达到了98.2％和在1778nm处的强度达到了99.0％。
实施例2
参阅图3，图3系本实施例双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为200nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为460nm和360nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为500nm。在可见-近红外频段内，呈现了一个双频带全光吸收。双频带全光吸收分别在波长559nm处的强度达到了96.9％和在1403nm处的强度达到了97.9％。
实施例3
参阅图4，图4系本实施例双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为250nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为500nm和380nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为560nm。在可见-近红外频段内，呈现了一个双频带全光吸收。双频带全光吸收分别在波长572nm处的强度达到了97.8％和在1528nm处的强度达到了99.7％。
实施例4
参阅图5，图5系本实施例双频带全光吸收器结构的吸收率图。银膜层厚度为200nm，单晶硅的环形腔体的外直径和内直径分别为600nm和460nm，高度为80nm,单晶硅的环形腔体正方阵列的周期为660nm。在可见-近红外频段内，呈现了一个双频带全光吸收。双频带全光吸收分别在波长678nm处的强度达到了96.5％和在1800nm处的强度达到了99.3％。
需要说明的是，本发明所揭示的乃较佳实施例的多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (5)

1.一种双频带全光吸收器结构，它包括银膜层、单晶硅的环形腔体阵列，其特征在于：自下而上依次设置银膜层、单晶硅的环形腔体阵列，所述银膜层与单晶硅的环形腔体阵列配合形成具有双频带全光吸收特性的全光吸收器结构。
2.根据权利要求1所述的双频带全光吸收器结构，其特征在于：所述的银膜层的厚度为200nm～250nm。
3.根据权利要求1所述的双频带全光吸收器结构，其特征在于：所述单晶硅的环形腔体的厚度为50nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的双频带全光吸收器结构，其特征在于：所述的单晶硅的环形腔体的内直径(Din)和外直径(Dout)大小分别为360nm～460nm和460nm～600nm。
5.根据权利要求1所述的双频带全光吸收器结构，其特征在于：所述的单晶硅的环形腔体阵列是由单晶硅的环形腔体组成的四方周期性排列的阵列，阵列的周期大小为500nm～660nm。
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