基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器

摘要

本发明公开了基于金属膜层‑半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，本发明是一种新颖的多频段光吸收器，入射光不被整体结构为高反射的连续金属膜层覆盖所影响进而产生了吸收率达99%的光完美吸收，同时由于吸收器结构被具有优异电导电学特性的金属膜层100%包裹，因此该吸收器在电导特性上能同样提供完美的电学响应比如电阻小于0.1欧姆/sq。本发明同时具有的优良的光学和电学特性以及技术方案突破了现有技术不能同时实现高光吸收和高电导特性的结构设计缺陷，而且引入的半导体材料结合光吸收器的结构紧凑，易于加工和制备等特性，对发展高性能光电检测和热电子激发和收集、多频段滤波和成像等具有很好的应用前景和产生不可估量的作用。

权利要求

1.一种基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，它包括衬底、金属反光层、半导体共振腔层和金属膜层，其特征在于：自下而上依次设置衬底、金属反光层、半导体共振腔层与金属膜层，并且至少所述金属反光层和金属膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述金属膜层与半导体共振腔层的顶部和侧面是直接物理接触，所述金属反光层与半导体共振腔层底部是直接物理接触，所述金属膜层与半导体腔及金属反光层配合形成具有多频段光完美吸收特性的结构。

2.根据权利要求1所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述的金属反光层的厚度为不小于50nm。

3.根据权利要求2所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述金属反光层的厚度为50-200nm。

4.根据权利要求1所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述的金属反光层和金属膜层的材料为铜、铝、银或金材料。

5.根据权利要求1所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述的半导体共振腔层的材料采用高折射率的半导体材料。

6.根据权利要求5所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述半导体共振腔层的材料为单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、砷化镓、磷化铟、二氧化钛、砷化铟或锗。

7.根据权利要求1所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述的半导体共振腔层的腔结构为圆柱形、立方体形或长方体形。

8.根据权利要求1所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述的半导体共振腔层为圆柱形、立方体形或长方体形腔结构的周期性阵列结构。

9.根据权利要求1所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述的金属膜层厚度处于10-30nm范围。

10.根据权利要求1所述的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其特征在于：所述金属膜层的厚度应满足良好的光透射和电子振荡传输响应，尤其优选为10-20nm。

说明书

基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸

收器

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米光子学和光电材料等领域，具体涉及一种基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器。

背景技术

[0002] 表面等离激元的概念是金属自由电子在外加光波照射下引起的集体振荡，导致电磁场局域在金属表面并产生电场增强效应，从而形成表面等离激元(Surface plasmons)。基于SPR的金属结构可以作为能源、光电探测、生物、医学等领域的核心元器件。

[0003] 光完美吸收器是实现高效光谱吸收与光电探测的一个必备元件，它可以实现在特定波段或多个波段光谱范围内的光波能量的吸收，其原理一般是等离激元共振、介质导波模式和光谱相位耦合或相干等现象引起光波的共振吸收或捕获现象。

[0004] 自2008年,电磁波完美吸收器(《Physical Review Letters》，第100卷，第207402页)或光完美吸收器(《Nature Photonics》，第2卷，第299页)的研究获得了国内外研究者的大量关注。尤其是基于金属-介质(或绝缘材料)-金属的三层电磁共振结构体系或超材料体系实现了从微波频段到可见光波段的完美吸收响应(《Laser Photonics Reviews》，第8卷，第495页)。然而在这些三层结构光完美吸收器体系中，由于上层金属结构基本都是非连续金属结构比如金属块(《Advanced Materials》，第24卷，第OP98页)，因此导致结构在电学特性上无法实现良好的导电响应，进而也无法有效拓展到电控或光电子功能器件平台。

[0005] 传统的基于等离激元共振的光完美吸收器是利用特定结构尺寸的金属-介质(或绝缘材料)-金属的三层材料结构实现在单一工作波长的光完美吸收，此类体系基于的是金属纳米结构与底层金属膜层之间的电磁共振与金属纳米结构本身的电共振模式之间的叠加耦合，从而获得在同一波长处的光波能量中的电场与磁场能量的吸收进而实现此波长处的共振光完美吸收[200910243544.X；200580016934.3]。由于此类结构是基于电共振与磁共振模式的耦合，因而体系只能在一个特定波长实现光完美吸收(《Physical Review Letters》，第100卷，第207402页)。今年来，为了获得多频段的光完美吸收器，此类结构体系通过构建多个亚共振单元在同一个结构单胞内从而有效获得基于各个亚共振单元提供的共振吸收在光谱上的叠加形成的多频段光完美吸收效应(《IEEE Photonics Technology Letters》，第28卷，第307页)。然而，此类体系所需的高精度结构设计和尺寸要求导致其制备技术往往过于复杂且同样面临无法实现良好电导响应的局限。

[0006] 通过在金属膜层上构建金属共振微纳米结构，利用结构产生的电磁共振效应，可以有效实现与入射光的相互作用，特别是实现光完美吸收。2013年中国南京大学熊翔等人通过利用激光刻蚀技术实现了立体的金属柱状阵列结构，实现了红外波段的光完美吸收(《Advanced Materials》，第25卷，第3994页)。2014年Aydin课题组通过利用阵列结构提供的表面晶格共振效应实现了基于全金属材料的光吸收器(《ACS Nano》，第8卷，第8242页)。虽然基于全金属材料的光完美吸收在红外波段也得以实现，但由于缺乏作为光电功能材料的半导体材料，导致这些光吸收器无法在新兴的光电功能器件等领域无法获得应用和推广。

[0007] 除了目前广为研究的金属纳米结构能产生强的电磁共振效应外，最近在基于半导体材料包括硅和二氧化钛等材料构成的微纳米尺度的共振单元中也发现了很强的电和磁共振效应，并且在非线性光学和光电器件包括光电检测等方面呈现了引入注目的性能效果(《Science》，第354卷，第aag2472页)。比如，利用硅(《Nature Communication》，第3卷，第664页)和二氧化钛材料(《Optics Letters》，第41卷，第3391页)构建球形或柱形共振单元，也实现了较强的光吸收。对于这些基于全介质材料的光完美吸收器，由于缺乏导电材料或元件包括电极，因而难以实现此类半导体光吸收器在光电功能材料与器件领域的应用和开发。

[0008] 综上所述，如何突破已有研究体系的局限和如何实现金属-半导体共振结构的设计及其内在共振光吸收特性始终是当前科学技术领域的一个难题。因此，设计并实现基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器对于解决现有研究体系和发明结构无法同时具备光完美吸收和完美电导响应的难题将具有非常重要的现实意义和应用价值。

发明内容

[0009] 本发明的目的是为了提供一种基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器。

[0010] 本发明的一种基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，它包括衬底、金属反光层、半导体共振腔层和金属膜层，自下而上依次设置衬底、金属反光层、半导体共振腔层与金属膜层，并且至少所述金属反光层和金属膜层的连接交错区域是直接物理接触，所述金属膜层与半导体共振腔层的顶部和侧面是直接物理接触，所述金属反光层与半导体共振腔层底部是直接物理接触，所述金属膜层与半导体腔及金属反光层配合形成具有多频段光完美吸收特性的结构。

[0011] 进一步地，所述的金属反光层的厚度为不小于50nm。

[0012] 进一步地，所述金属反光层的厚度为50-200nm。

[0013] 进一步地，所述的金属反光层和金属膜层的材料为铜、铝、银或金材料。

[0014] 进一步地，所述的半导体共振腔层的材料采用高折射率的半导体材料。

[0015] 进一步地，所述半导体共振腔层的材料为单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、砷化镓、磷化铟、二氧化钛、砷化铟或锗。

[0016] 进一步地，所述的半导体共振腔层的腔结构为圆柱形、立方体形或长方体形。

[0017] 进一步地，所述的半导体共振腔层为圆柱形、立方体形或长方体形腔结构的周期性阵列结构。

[0018] 进一步地，所述的金属膜层厚度处于10-30nm范围。

[0019] 进一步地，所述金属膜层的厚度应满足良好的光透射和电子振荡传输响应，尤其优选为10-20nm。

[0020] 与现有技术相比，本发明的优点至少在于：

[0021] 1、通过将半导体材料集成在具有光完美吸收特性的结构中，从而为实现利用半导体材料共振腔结构的电磁共振特性在光吸收领域的运用提供了一条有效的途径。

[0022] 2、通过将半导体共振腔与金属膜层结构进行集成，突破了现有技术无法同时实现基于金属共振体系与介质体系尤其是半导体共振体系的光完美吸收器。

[0023] 3、通过运用连续金属膜层对半导体共振腔阵列的100％覆盖，彻底克服了以往基于金属-介质-金属三层结构技术实现的光完美吸收器无法进行外界电源或电流信号控制的缺陷。通过保持好连续金属的物理结构特性进而保留金属膜层与生俱来的优异电导特性(连续金属膜层厚度>10nm即可以提供电阻率低于0.1欧姆/sq)。因此，通过本发明的基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，不仅可以产生多频段的光完美吸收，而且可以非常便利地与外加电源或泵浦电脉冲等有源器件集成，通过电流或电压信号调控半导体材料的电学特性，从而获得同时具备完美电学、光学(光吸收)特性的光电功能器件包括红外检测、红外光电调控和转换、热电子的激励产生和收集、光电调制信号与光谱滤波等。

附图说明

[0024] 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。

[0025] 图1是本发明一可选实施方案中基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的纵向剖面示意图；

[0026] 图2是本发明一可选实施方案中基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的俯视示意图；

[0027] 图3是本发明一可选实施方案中基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器在不同偏振态入射光照射下的光吸收图。金属材料为金，半导体材料单晶硅，金属衬底厚度、金属膜层厚度分别为50nm和20nm。半导体共振腔为圆柱形结构，直径为400nm，圆柱高380nm。半导体共振腔阵列为三角排列，周期大小为500nm。

[0028] 图4是本发明一可选实施方案中基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的光吸收图。金属材料为金，半导体材料单晶硅，金属衬底厚度、金属膜层厚度分别为100nm和20nm。半导体共振腔为圆柱形结构，直径为400nm，圆柱高380nm。半导体共振腔阵列为三角排列，周期大小为500nm。

[0029] 图5是本发明一可选实施方案中基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器在选用不同半导体材料时的光吸收图。金属材料为金，半导体材料为砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)或砷化铟(InAs)，金属反光层厚度、金属膜层厚度分别为100nm和20nm。半导体共振腔为圆柱形结构，直径为400nm，圆柱高380nm。半导体共振腔阵列为三角排列，周期大小为500nm。

[0030] 图6是本发明一可选实施方案中基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的光吸收图。金属材料为银，半导体材料多晶硅，金属反光层厚度、金属膜层厚度分别为100nm和20nm。半导体共振腔为圆柱形结构，直径为410nm，圆柱高380nm。半导体共振腔阵列为三角排列，周期大小为500nm。

具体实施方式

[0031] 本发明旨在提高一种基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器，其可具有完美的光吸收响应同时也具备金属膜层固有的优异的电导电学特性。该吸收器结构可包括自下而上依次形成的衬底1、金属反光层2、半导体共振腔层3和金属膜层4，其中金属反光层2和金属膜层4的连接交错区域是直接物理接触，金属膜层4与半导体共振腔层3的顶部和侧面是直接物理接触，金属反光层2与半导体共振腔层3底部是直接物理接触，并且金属膜层4与半导体腔及金属反光层配合形成具有多频段光完美吸收特性的结构。

[0032] 前述衬底可选用但不限于硅片、玻璃、塑料、不锈钢等硬质或柔性衬底，用于支撑基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器。

[0033] 前述金属反光层可以采用一层连续的金属薄膜，其材料可选用但不限于金、银、铜、铝、铂等，其厚度优选在50nm以上，尤其是50nm-200nm。

[0034] 前述半导体共振腔层优选为高折射率的介电材料膜，比如，可选用但不限于单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、砷化镓、磷化铟、二氧化钛、砷化铟、锗。

[0035] 前述金属膜层可以采用一层连续的金属薄膜，其材料可选用但不限于金、银、铜、铝、铂等，其厚度优选在10-20nm。

[0036] 作为较佳实施方案之一，至少前述半导体共振腔层由圆柱形半导体共振单元排列并构成周期性的微纳米结构。

[0037] 前述金属反光层、半导体共振腔层和金属膜层一起构成具有多频段光完美吸收的结构。进一步的，通过调控前述半导体共振腔的折射率和高度，金属膜层与半导体共振腔的复合结构、阵列的晶格周期，可以优化设计工作在不同波段的完全光吸收器结构。例如，作为较佳的应用方案之一，可以通过电磁场数值分析方法优化吸收器结构中的半导体共振腔的直径、高度以及阵列的周期参数，使得半导体阵列产生的光学共振光谱与覆盖在半导体共振腔上的金属膜层的等离激元共振光谱在频域上重叠，从而获得强的共振耦合，抑制反射损耗，获得近100％光完美吸收。

[0038] 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：

[0039] 实施例1：参阅图1所示系本实施例基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的纵向剖面示意图，其包括自下而上依次设置的衬底、金属反光层、半导体共振腔层与金属膜层。该实施例中的金属反光层构成吸收器的反射和不透光层，半导体共振腔层和金属膜层构成了吸收器产生强电磁共振效应的共振复合结构单元，通过优化设计如图2所示的半导体共振腔层和金属膜层，可得到预设波段的多频段光完美吸收。同时，金属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，同时也可以作为在电磁共振下产生大量自由电子进入半导体材料内而形成热电子的有源层，从而为获得光电转换和电控操作提供通道。本实施例中的半导体共振腔基于选用的半导体材料，易于高效利用吸收光或电磁场进行半导体能带、光生载流子、光电特性的调控。

[0040] 实施例2：本实施例的纵向剖面图可参阅图1，俯视示意图参阅图2，其与实施例1的不同之处主要在于，本实施例中半导体共振腔层形成二维周期阵列结构。参与图3其构成的多频段光完美吸收对不同偏振方向的入射光均能形成完美的光吸收，从而进一步提高吸收器在不同电磁偏振环境下的光吸收性能和光电响应效率。

[0041] 实施例3：参阅图4所示系本实施例基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的光吸收图。金属材料为金，半导体材料单晶硅，金属衬底厚度、金属膜层厚度分别为100nm和20nm。半导体共振腔为圆柱形结构，直径为400nm，圆柱高380nm。半导体共振腔阵列为三角排列，周期大小为500nm。在近红外波段内，呈现了4个光吸收峰，最大光吸收率达98％。最低吸收率也超过了92％。而这样优异的光吸收效果是在结构100％被20nm厚的金属膜层覆盖的基础上获得的，这与金属膜层内在的对光高反射特性形成巨大反差。这种多频段光完美吸收器由此可以在红外成像和显示以及光谱滤波、光电转换和红外探测等方面实现光、电性能的各种集成方案。

[0042] 实施例4：参阅图5所示系本实施例基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的光吸收图。金属材料为金，半导体材料为砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)或砷化铟(InAs)，金属反光层厚度、金属膜层厚度分别为100nm和20nm。半导体共振腔为圆柱形结构，直径为400nm，圆柱高380nm。半导体共振腔阵列为三角排列，周期大小为500nm。在这一实施例中，多频段光完美吸收在结构选用不同半导体材料时也得以很好的呈现。这为拓展此类吸收器实现基于不同半导体材料在不同频段产生光吸收以及光电响应做了很好的验证。比如，基于选用GaAs作为半导体共振腔材料，吸收器产生了4带光吸收，最大吸收率达到了99.9％。

[0043] 实施例5：参阅图6所示系本实施例基于金属膜层-半导体共振腔复合结构的多频段光完美吸收器的光吸收图。金属材料为银，半导体材料多晶硅，金属反光层厚度、金属膜层厚度分别为100nm和20nm。半导体共振腔为圆柱形结构，直径为410nm，圆柱高380nm。半导体共振腔阵列为三角排列，周期大小为500nm。在这一实施例中，多频段光完美吸收在结构保持阵列周期大小不变的同时选用了一个相对比较大的半导体共振腔也得以实现。比如，在1.953微米的波长处，吸收率达到了99.8％。这一实施例说明，此吸收器的光吸收性能可以在一定结构参数波动范围内都得到很好的保持。因此，该多频段光完美吸收器不仅易于制备而且可以通过调控结构参数实现对光吸收响应在频域的调控，进而提高了本吸收器在不同频段的光学、光电子功能材料方面的技术价值。

[0044] 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。