CN110703371A - 半导体超表面电磁波吸收器及其制备方法 - Google Patents

半导体超表面电磁波吸收器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种半导体超表面电磁波吸收器及其制备方法。该半导体超表面电磁波吸收器包括基底层、非金属介质层和超材料结构层，非金属介质层连接于基底层上表面，超材料结构层连接于非金属介质层上表面；其中，超表面结构层由若干单元结构周期性排列组成，每个单元结构包含两个互相平行的长方体。本发明通过合理设计改变超表面的结构参数和入射光的偏振角度，可以定量化的调控其工作频率和工作效率；实现了工作频率与工作效率的双重可定量化调控，拓展了此类吸收器在光电检测、光电转换以及电磁能量吸收等领域的应用前景。

Description

半导体超表面电磁波吸收器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件，具体涉及半导体超表面电磁波吸收器及其制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的迅猛发展，电磁波吸收器一直以来都是科技领域的热点课题，可定量化调控其工作频率或工作效率的电磁波吸收器在光电检测、光电转换以及电磁能量吸收等领域的具有广阔的应用前景。
近年来，在电磁波吸收器方面，人们设计了各种各样的结构，例如，平面金属/介质结构、反射金属光栅结构、超材料结构和基于表面等离激元的结构。在光电检测和电磁波能量选择吸收方面基于等离激元超构材料体系实现全吸收的方案有很多，金属基底-介质层-超材料结构层材料体系是实现完美吸收的典型结构之一。与传统方法相比，该体系具有亚波长特性，一般体系的整体厚度只有工作波长的几百分之一。但这种结构的工作波段和工作效率无法可定量化调控，所以，设计可以定量化调控工作波段和工作效率的吸收器是该领域的一大挑战。
在实践中，光电检测、光电转换以及电磁能量吸收等领域经常需要对特定波段的电磁波选择性吸收，所以可定量化调控工作波段的吸收器具有广阔的运用前景。现在存在的大部分电磁波超材料吸收器虽然可以对超材料结构进行设计，以达到对工作波段的调控。改变超材料结构的参数虽然可以改变工作波段，但是不能可定量化调控。同时，若能对吸收器的工作效率进行可定量调控，那么这种类型的电磁波吸收器将会具有广阔的应用前景。
因此，设计并实现对电磁波吸收器工作频率和工作效率的可定量化调控具有非常重要的现实意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体超表面电磁波吸收器及其制备方法，该半导体超表面电磁波吸收器的工作频率和工作效率双重可定量化调控。
本发明提供的一种半导体超表面电磁波吸收器，包括基底层、非金属介质层和超材料结构层，非金属介质层连接于基底层上表面，超材料结构层连接于非金属介质层上表面；其中，超表面结构层由若干单元结构周期性排列组成，每个单元结构包含两个互相平行的长方体。
进一步地，所述的基底层的厚度为100～300纳米，所述的非金属介质层的厚度为1～50纳米，所述的超表面结构层的厚度为200～400纳米。
进一步地，所述的超表面结构层中的若干单元结构的排列周期为500纳米，每个单元结构中的两个长方体的间距为40纳米。
进一步地，所述的长方体的长为400纳米，宽为60纳米，高与所述的超表面结构层的厚度相同。
进一步地，所述的基底层由不透明耐火金属材料制成，不透明耐火金属材料可以为金、银、铜或铝。所述的非金属介质层的材料为氧化铝。所述的超表面结构层的材料为硅。
上述的半导体超表面电磁波吸收器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备洁净的硅片；
步骤2、利用镀膜技术在所述的硅片上沉积不透明耐火金属材料，形成基底层；
步骤3、利用镀膜技术在所述的基底层上沉积特定厚度的非金属介质，形成非金属介质层；
步骤4、利用镀膜技术在所述的非金属介质层上沉积特定厚度的半导体材料，形成半导体结构层；
步骤5、利用无掩摸电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀技术对所述的半导体结构层进行刻蚀，获得双长方体形周期排列的结构，形成超表面结构层，即得到半导体超表面电磁波吸收器。
进一步地，所述的步骤2、步骤3和步骤4中的镀膜技术为磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。
进一步地，所述的不透明耐火金属材料为金、银、铜或铝，所述的非金属介质为氧化铝，所述的半导体材料为硅。
本发明的增益效果如下：本发明提供了一种可双重可定量化调控工作频率和工作效率的吸收器，解决了现有技术中无法对工作效率和工作频率可定量化调节的问题。本发明的半导体超表面电磁波吸收器包括基底层、非金属介质层和超材料结构层，超表面结构由单元结构周期排列组成，每个单元结构包含两个互相平行的长方体，为入射光场提供一个良好的耦合环境；通过改变超表面的结构参数和入射光的偏振角度，可以双重定量化的调控其工作频率和工作效率。
附图说明
图1为本发明的半导体超表面电磁波吸收器的立体结构示意图。
图2为本发明的半导体超表面电磁波吸收器的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例1的半导体超表面电磁波吸收器的吸收光谱图。
图4为本发明实施例1～5的半导体超表面电磁波吸收器的工作频率与超表面结构层厚度关系图。
图5和图6为本发明实施例1的半导体超表面电磁波吸收器对应的工作效率与入射光偏振角度关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明的半导体超表面电磁波吸收器可以按照以下步骤制备：
步骤1、准备硅片，依次用无水乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，然后烘干，得到纯净硅片；
步骤2、利用磁控溅射技术在所述的纯净硅片表面镀上一层不透明耐火金属材料，形成基底层；
步骤3、利用磁控溅射技术在所述的基底层上沉积特定厚度的非金属材料，形成非金属介质层；
步骤4、利用磁控溅射技术在所述的非金属介质层上沉积特定厚度的半导体材料，形成半导体结构层；
步骤5、利用无掩摸电子束刻蚀对所述的半导体结构层进行刻蚀，获得双长方体形周期排列的结构，形成超表面结构层，即得到半导体超表面电磁波吸收器。
如图2所示，制备得到的半导体超表面电磁波吸收器，由下及上依次为基底层1、非金属介质层2和超表面结构层3，超表面结构层3连接于非金属介质层2上表面，非金属介质层2连接于基底层1上表面。其中，基底层1的材料可以为不透明耐火金属材料，例如：金、银、铜、铝。非金属介质层2的材料可以为氧化铝。超表面结构层3的材料可以为硅，超表面结构层3由单元结构4周期性排列组成，每个单元结构4包含两个互相平行的长方体5。
超表面结构层3和非金属介质层2形成了上下两层共振结构，为入射光场提供一个良好的耦合环境，基底层1用耐火金属材料制成，与电磁波产生等离激元共振响应。金属基底层1厚度超过150纳米，抑制光的传输。通过改变超表面结构层3的结构参数和入射光的偏振角度，可以双重定量化的调控其工作频率和工作效率。
通过改变各层厚度和刻蚀条件，可以得到不同结构参数的半导体超表面电磁波吸收器。下表显示了实施例1～5的半导体超表面电磁波吸收器的制备条件及其结构参数。
Figure BDA0002233094710000041
分别对实施例1～5的半导体超表面电磁波吸收器进行测试。测试方法为通过光栅光谱仪，如Lambda 750光谱测试系统及其反射光测试模块进行吸收器的反射(R)与透射(T)光的测试。采用常用的光谱吸收率(A)定义：A＝1-R-T，即可以得到吸收器的吸收率光谱图。通过在测试光路中加入偏振片，可以从偏振角度为0度到90度的连续调节，从而实现在不同偏振角度下的反射和透射光谱测测试，进而，获得在不同偏振角度下的吸收率光谱。
如图3中曲线所示，实施例1的半导体超表面电磁波吸收器总共有四个吸收峰。在工作波长为λ1＝823纳米时，吸收率达到了96％。在工作波长为λ2＝677纳米和λ3＝655纳米时，其吸收率分别是98％和99％。主吸收峰是在工作波长为λ4＝606纳米，吸收率达到了100％。
图4显示了四个吸收峰所在的波长与超表面层厚度的关系。可以看出，吸收峰所在的波长满足公式λi＝C1+C2×h。其中，h是超表面结构层的厚度，即长方体的高；C1和C2是常数，从图4中可以知道每个常数的值。
可以看出，通过对超表面结构层厚度的调控，可以实现对工作波长的定量化调控。
用不同偏振角度的入射光对实施例1的半导体超表面电磁波吸收器进行测试，入射光的偏振角度的变化范围为0～90度。如图5和图6曲线是分别是实施例1的半导体超表面电磁波吸收器在波长为λ1＝823纳米、λ2＝677纳米、λ3＝655纳米和λ4＝606纳米的工作效率与入射光偏振角度关系图。
根据马吕斯(Malus)定律可以定量调控吸收器的吸收效率，吸收器的吸收线率为A0×(cosθ)^2。从图4和图5中可以看出，根据马吕斯定律预测的吸收器效率和实际的吸收器效率十分吻合。其中马吕斯定律为：强度为I0的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度(不考虑吸收)为I＝I0×(cosθ)^2(θ是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角)。
综上所述，本发明的半导体超表面电磁吸收器既可以定量化调控工作频率，又可以定量化调控工作效率，实现了对工作频率和工作效率的双重可定量化调控，在光电检测、光电转换以及电磁能量吸收等领域的具有广阔的应用前景。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体超表面电磁波吸收器，其特征在于：包括基底层、非金属介质层和超材料结构层，非金属介质层连接于基底层上表面，超材料结构层连接于非金属介质层上表面；其中，超表面结构层由若干单元结构周期性排列组成，每个单元结构包含两个互相平行的长方体。
2.根据权利要求1所述的半导体超表面电磁波吸收器，其特征在于：所述的基底层的厚度为100～300纳米，所述的非金属介质层的厚度为1～50纳米，所述的超表面结构层的厚度为200～400纳米。
3.根据权利要求1或2所述的半导体超表面电磁波吸收器，其特征在于：所述的超表面结构层中的若干单元结构的排列周期为500纳米，每个单元结构中的两个长方体的间距为40纳米。
4.根据权利要求3所述的半导体超表面电磁波吸收器，其特征在于：所述的长方体的长为400纳米，宽为60纳米，高与所述的超表面结构层的厚度相同。
5.根据权利要求3所述的半导体超表面电磁波吸收器，其特征在于：所述的基底层由不透明耐火金属材料制成，所述的非金属介质层的材料为氧化铝，所述的超表面结构层的材料为硅。
6.根据权利要求5所述的半导体超表面电磁波吸收器，其特征在于：所述的不透明耐火金属材料为金、银、铜或铝。
7.根据权利要求1所述的半导体超表面电磁波吸收器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备洁净的硅片；
步骤2、利用镀膜技术在所述的硅片上沉积不透明耐火金属材料，形成基底层；
步骤3、利用镀膜技术在所述的基底层上沉积特定厚度的非金属介质，形成非金属介质层；
步骤4、利用镀膜技术在所述的非金属介质层上沉积特定厚度的半导体材料，形成半导体结构层；
步骤5、利用无掩摸电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀技术对所述的半导体结构层进行刻蚀，获得双长方体形周期排列的结构，形成超表面结构层，即得到半导体超表面电磁波吸收器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的步骤2、步骤3和步骤4中的镀膜技术为磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述的不透明耐火金属材料为金、银、铜或铝，所述的非金属介质为氧化铝，所述的半导体材料为硅。
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