CN116594091A - 一种硅基光吸收器件及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基光吸收器件及其应用，包括底层介质层、金属光栅和顶层介质层组成的三明治型导模共振强吸收结构。本发明的器件结构具有如下优势：(1)微纳结构周围的近场极其接近表面的等离子激元的共振频率；(2)光栅阵列的优化使得介质光栅支持波导的有效耦合。在表面等离激元共振频率附近，这些金属光栅阵列可以有效地集中光线，具有良好的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，特别涉及一种硅基光吸收器件及其应用。
背景技术
半导体纳米结构被认为是下一代太阳能电池很有潜力的换能材料，主要是因为其更高的能量转换效率以及较低的成本。硅基半导体有很多突出的特点：在自然界有丰富的硅材料，无污染，另外已经有了很成熟的集成加工技术。在硅光子学中，可见红光吸收可用于创建能够调制或控制光路中光流的光子器件。例如，当红光被硅波导吸收时，它会产生自由载流子，从而改变材料的折射率并改变光通过它的路径，这种效应可用于创建可控制光学电路中光的强度或相位的光学调制器，这对于包括电信、数据通信和传感在内的广泛应用至关重要。硅中的红光吸收也可用于制造可将光信号转换为电信号的探测器。当红光被硅光电二极管吸收时，它会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对可以作为电流被收集和测量，这种效应可用于为光通信和传感应用创建高速、低噪声检测器。
金属光栅是一种光学结构，由金属元件在基板上的周期性排列组成。它们已被广泛用于增强材料在各个领域的光吸收，包括光伏、传感和光谱学。它们的有效性背后的原理是金属元素充当天线，通过激发表面等离子体共振来增强光的吸收。当光与金属光栅相互作用时，它可以耦合到表面等离子体激元，这是金属表面上自由电子的集体振荡。根据光栅的几何形状和材料特性，可以在特定波长激发这些等离子体激元。金属光栅可以充当滤光器，选择性地增强对某些波长的吸收。与其他方法相比，使用金属光栅作为增强光吸收结构具有几个优点。例如，它们可以使用标准光刻技术轻松制造，并且与各种类型的材料和设备兼容，可以设计为表现出偏振选择性，这可用于生物传感等应用。金属光栅作为增强光吸收结构的引入为提高各种光学器件和系统的性能开辟了新的可能性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基光吸收器件及其应用，以提高金属光栅的光吸收响应。
本发明提供了一种硅基光吸收器件，包括底层介质层、金属光栅和顶层介质层组成的三明治型导模共振强吸收结构。
优选的，所述底层介质层和顶层介质层的材料为硅。所述底层介质层的厚度为100-150nm。所述顶层介质层的厚度为50-60nm。
优选的，所述金属光栅的材料为银。所述金属光栅的厚度为40-50nm。光栅的周期为200nm，占空比为0.7。
优选的，所述底层介质层、金属光栅和顶层介质层光栅结构周期相同。
优选的，所述器件还包括基底材料。所述基底材料为二氧化硅或硅材料。
本发明还提供了一种所述的硅基光吸收器件在生物传感中的应用。
有益效果
本发明的器件结构具有如下优势：(1)微纳结构周围的近场极其接近表面的等离子激元的共振频率；(2)光栅阵列的优化使得介质光栅支持波导的有效耦合。在表面等离激元共振频率附近，这些金属光栅阵列可以有效地集中光线，具有良好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的硅基光吸收器件的结构示意图；
图2为本发明的硅基光吸收器件正入射时的吸收谱；
图3为本发明的硅基光吸收器件在完美吸收波长处的归一化电场分布图；
图4为本发明的硅基光吸收器件在强反射波长处的归一化电场分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
由图1所示，本实施例提供了一种硅基光吸收器件，包括底层介质层、金属光栅和顶层介质层组成的三明治型导模共振强吸收结构以及基底材料。底层介质层为全刻蚀，设计成一维周期光栅，金属光栅位于底层介质层光栅上方，在金属光栅上方再生长一层顶层介质光栅，这三层光栅结构周期相同。光从光栅顶部正入射，使用TM线偏振光。
在本实施例中，基底材料可使用便宜且稳定的二氧化硅或硅材料做衬底，上下两层介质层选用CMOS器件中常用的硅材料，硅的折射率随波长变化，底部介质层厚度为140nm，顶部介质层厚度为50nm。中间金属层使用的是常用的银材料，厚度为40nm。该光栅的周期为200nm，占空比为0.7。
本实施例的硅基光吸收器件在480nm到1000nm的波段范围内的吸收谱如图2所示。该三明治型导模共振强吸收结构在628nm-634nm范围内具有高达98％的吸收率，此外吸收率高于50％的波段宽度大于100nm(范围为563nm到667nm)。在波长630nm完美吸收处的归一化电场分布如图3所示，可以看出光场主要集中在空气槽和金属上下边界附近，即金属光栅有效增加了介质亚波长光栅中光的吸收，能够有效地用于光电探测器和光传感器。在强反射处的归一化电场分布如图4所示，可以看出此时金属光栅的等离子频率与介质光栅中的光场频率未达到一致共振，未能有效全部约束光场。
Claims (7)
1.一种硅基光吸收器件，其特征在于：包括底层介质层、金属光栅和顶层介质层组成的三明治型导模共振强吸收结构。
2.根据权利要求1所述的硅基光吸收器件，其特征在于：所述底层介质层和顶层介质层的材料为硅。
3.根据权利要求1所述的硅基光吸收器件，其特征在于：所述金属光栅的材料为银。
4.根据权利要求1所述的硅基光吸收器件，其特征在于：所述底层介质层、金属光栅和顶层介质层光栅结构周期相同。
5.根据权利要求1所述的硅基光吸收器件，其特征在于：所述器件还包括基底材料。
6.根据权利要求5所述的硅基光吸收器件，其特征在于：所述基底材料为二氧化硅或硅材料。
7.一种如权利要求1-6任一所述的硅基光吸收器件在生物传感中的应用。
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