一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器

摘要

本发明公开了一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，包括位于上层的图案化的功能材料层和位于下层的衬底层，所述功能材料层由多个结构相同的呈周期性阵列规则排布的吸收单元组成，每一个吸收单元均位于衬底层的一个正方形的晶格周期内，所述吸收单元为两个结构完全相同的方框相交叉构成的交叉双框结构，每一个方框的内外均为正方形，两个方框交叉后的交叉区域具有一个正方形的交叉空腔；所述吸收单元与所述衬底层之间形成谐振腔，相交叉的方框彼此之间也存在谐振吸收，因而使得所述多个吸收单元形成多个微型吸收器，而吸收单元之间也存在吸收频率的相互叠加，从而能够实现对可见光整个波段的吸收。该吸收器具有很好的光吸收效果。

权利要求

1.一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，包括位于上层的图案化的功能材料层(1)和位于下层的衬底层(2)，其特征在于：所述功能材料层(1)由多个结构相同的呈周期性阵列规则排布的吸收单元组成，每一个吸收单元均位于衬底层(2)的一个正方形的晶格周期内，所述吸收单元为两个结构完全相同的方框(11)相交叉构成的交叉双框结构，每一个方框(11)的内外均为正方形，两个方框(11)交叉后的交叉区域具有一个正方形的交叉空腔(12)；所述吸收单元与所述衬底层(2)之间形成谐振腔，相交叉的方框(11)彼此之间也存在谐振吸收，因而使得多个吸收单元形成多个微型吸收器，而吸收单元之间也存在吸收频率的相互叠加，从而能够实现对可见光整个波段的吸收。

2.根据权利要求1所述的基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，其特征在于：所述晶格周期的晶格边长a为260‑370nm，所述吸收单元位于晶格周期的中心处，所述方框(11)的外侧边长D1为160‑260nm，宽度W为30nm‑55nm，所述交叉空腔(12)的空腔边长D3为30nm‑

60nm。

3.根据权利要求1或2所述的基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，其特征在于：所述功能材料层(1)的材质为半导体材料，厚度为35nm‑65nm。

4.根据权利要求3所述的基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，其特征在于：所述半导体材料为硅、砷化镓、锗中的任意一种。

5.根据权利要求1或2所述的基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，其特征在于：所述衬底层(2)为金属层，厚度为40nm‑100nm。

6.根据权利要求5所述的基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，其特征在于：所述金属层的材质为金、钛、铁、钨中的任意一种。

说明书

一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器

技术领域

[0001] 本发明属于可见光吸收器，具体是指一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器。

背景技术

[0002] 在过去十年中，关于超材料的研究已经引起了科学界和工程界的广泛研究兴趣。其中，超材料的完美吸收研究已成为近年来的一个研究的热点话题。这些完美的吸收器已
广泛应用于热发射和成像，光热疗法和热电子收集。

[0003] 2008年，基于金属‑绝缘体‑金属三层超材料，Landy首次报道了完美的电磁波吸收体。此后，学术界提出了许多基于超材料的吸波材料，并且证明了从微波到光频率的可行
性。但是，吸收带宽通常很窄，只有等离子共振相对于中心频率的单个吸收峰值。在许多情
况下，需要宽带吸收，如太阳能收集或光伏发电，对于这些吸收所需的带宽必须扩大，同时
提高转换效率。为了扩大吸收带宽，可以使用各种不同的等离子体纳米谐振器，谐振器可以
在共振波长处提供相应的吸收峰[。例如Liu等人设计的基于金的吸收器产生了四个吸收
带，这种金属吸收性利用吸收器之间的等离子体谐振从而达到谐振吸收作用。

[0004] 然而，对于等离子谐振器，由于传统的金属谐振器所具有的高反射率以及本身具有的能量耗散，使得其很难做到宽带吸收。由于半导体谐振器可以同时产生电共振和磁共
振，从而可以实现宽带吸收。近年来，Zhu等人设计的基于硅的纳米谐振器在可见光波段从
437.9nm到578.3nm的宽带中实现超过80％的吸收率。

[0005] 尽管这些基于硅的吸收器做到了宽带吸收，但是整体吸收效率并不是很高，由于模型设计的问题，带宽并不能做到很宽。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，该吸收器能够实现对可见光整个波段的吸收，且具有很好的吸收效果。

[0007] 本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器，包括位于上层的图案化的功能材料层和位于下层的衬底层，其特征在于：所述
功能材料层由多个结构相同的呈周期性阵列规则排布的吸收单元组成，每一个吸收单元均
位于衬底层的一个正方形的晶格周期内，所述吸收单元为两个结构完全相同的方框相交叉
构成的交叉双框结构，每一个方框的内外均为正方形，两个方框交叉后的交叉区域具有一
个正方形的交叉空腔；所述吸收单元与所述衬底层之间形成谐振腔，相交叉的方框彼此之
间也存在谐振吸收，因而使得所述多个吸收单元形成多个微型吸收器，而吸收单元之间也
存在吸收频率的相互叠加，从而能够实现对可见光整个波段的吸收。

[0008] 本发明中，该吸收器的周期性排列的结构单元为特殊的结构单元，该纳米结构的可见光宽带吸收器是由交叉双框吸收单元周期性排列而成，其中双框的大小完全一样，为
了防止光线透射，衬底层厚度视为无限大。

[0009] 本发明中，所述晶格周期的晶格边长a为260‑370nm，所述吸收单元位于晶格周期的中心处，所述方框的外侧边长D1为160‑260nm，宽度W为30nm‑55nm，所述交叉空腔的空腔
边长D3为30nm‑60nm。

[0010] 本发明中，所述功能材料层为半导体材料，厚度为35nm‑65nm。

[0011] 双框的纳米谐振器阵列的结构单元设计，在x方向和y方向都采用周期边界条件来进行模拟。在吸收器的Z方向采用完美匹配的层(PML)。从元表面的顶部照射具有沿x轴线偏
振的宽频率平面波。反射光谱在后向散射平面中被检测到。在上面所述的条件下，我们模拟
了硅纳米谐振器基于表面的吸收体的光反射，透射和吸收特性。周围其它空间的折射率为
1。

[0012] 本发明中，所述半导体材料为硅、砷化镓、锗中的任意一种。

[0013] 本发明中，所述衬底层为金属层，厚度为40nm‑100nm，厚度只需大于40nm即可。

[0014] 本发明中，所述金属层的材质为金、钛、铁、钨中的任意一种，只需消光系数较大的金属吸收材料充当上下两层谐振吸收的镜子即可。优选的，衬底材料为金。

[0015] 为了使谐振吸收器对可见光最大吸收且任意频率处的吸收率均大于80％，通过对吸收单元的尺寸大小，结构等参数进行优化和设计，使吸收器的在特定频率与入射波频率
的阻抗相匹配，且在图案化上层材料的外侧以及上层材料与下层材料的交界处形成一个谐
振器，从而对入射光进行强烈的共振吸收。此时的入射波在衬底材料的反射率极小，如果对
底部镀一层足够厚的金属薄膜，使透射为零，那么可见光谐振吸收器入射光进行最大限度
的吸收。其中，吸收公式为：A＝1‑T‑R，其中，A表示光吸收率，R表示光谱反射，T表示光谱透
射。

[0016] 本发明的谐振吸收器的吸收单元为交叉双框结构，以周期性的两个同等大小的方框交叉而成，底部是一层金属层。厚度远小于波长，可以实现可见光360nm到780nm波段的吸
收率全部大于80％。金属层相当于镜子，仅用于反射入射光，使金属层和方框之间形成谐振
腔，而交叉的方框彼此之间也存在谐振吸收。因此该器件可以形成多个微型吸收器，而谐振
器之间也存在吸收频率的相互叠加，从而实现在可见光波段的宽带吸收。由于涉及的吸收
器关于斜45度成对称结构，所以对偏振角几乎不敏感。

[0017] 与现有技术相比，本发明谐振吸收器，解决传统吸收器吸收效率低，吸收带宽窄，吸收器设计复杂、可行性低以及制作成本高，占空比过大等缺陷。通过优化吸收器模型结
构、尺寸大小，在仅仅只有两种材料且简单的两层结构的情况下，能将吸收器在360nm‑
780nm波段的可见光下吸收效率全部大于80％，并且制作流程少，制作工艺简单，材料来源
广泛，制作成本低，吸收效率高，器件厚度远小于工作波长。此外，吸收器以半导体为材料，
在节约成本的同时，半导体与标准光刻和互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容(例如
硅)，能够很容易地加工成复杂的图案以获得所需的电磁特性，使其更容易在实际应用中得
到广泛推广。

附图说明

[0018] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

[0019] 图1是本发明谐振吸收器实施例一的阵列示意图；

[0020] 图2是本发明谐振吸收器实施例一中吸收单元的立体图；

[0021] 图3是本发明谐振吸收器实施例一中吸收单元的主视图；

[0022] 图4是本发明谐振吸收器实施例一的仿真吸收率图，该实施例的功能材料层采用硅；

[0023] 图5是本发明谐振吸收器实施例一在入射光频率为407nm，534nm，645nm和685nm时吸收单元的电场分布图，其中，(a)为在入射光频率为407nm时吸收单元的电场分布图，(b)
为在入射光频率为534nm时吸收单元的电场分布图，(c)为在入射光频率为645nm时吸收单
元的电场分布图，(d)为在入射光频率为685nm时吸收单元的电场分布图；

[0024] 图6是本发明谐振吸收器实施例二的仿真吸收率图，该实施例的功能材料层采用砷化镓。

[0025] 附图标记说明

[0026] 1、功能材料层；11、方框；12、交叉空腔；2、衬底层。

具体实施方式

[0027] 实施例一

[0028] 本发明一种基于半导体的可见光超薄宽带谐振吸收器如图1至图3所示，包括位于上层的图案化的功能材料层1和位于下层的衬底层2，功能材料层1由多个结构相同的呈周
期性阵列规则排布的吸收单元组成，每一个吸收单元均位于衬底层2的一个正方形的晶格
周期内，吸收单元为两个结构完全相同的方框11相交叉构成的交叉双框结构，每一个方框
11的内外均为正方形，两个方框11交叉后的交叉区域具有一个正方形的交叉空腔12；吸收
单元与衬底层2之间形成谐振腔，相交叉的方框11彼此之间也存在谐振吸收，因而使得多个
吸收单元形成多个微型吸收器，而吸收单元之间也存在吸收频率的相互叠加，从而能够实
现对可见光整个波段的吸收。

[0029] 本实施例中，晶格周期的晶格边长a为350nm，吸收单元位于晶格周期的中心处，方框11的外侧边长D1为210nm，方框11的内侧边长D2为130nm，宽度W为40nm，方框11的厚度为
55nm，交叉空腔12的空腔边长D3为40nm。

[0030] 本实施例中，功能材料层1为半导体硅材料，厚度为55nm。衬底层2为金属层，厚度为50nm，为了防止光线透射，金层厚度视为足够大。功能材料层1的材质为金。

[0031] 作为本实施例的变换，晶格边长a也可以在260‑370nm范围内取值，外侧边长D1也可以在160‑260nm范围内取值，宽度W也可以在30nm‑55nm范围内取值，方框11的厚度也可以
在35nm‑65nm范围内取值，空腔边长D3也可以在30nm‑60nm范围内取值。

[0032] 作为本实施例的变换，功能材料层1的厚度也可以在35nm‑65nm范围内取值，功能材料层1也可以选用硅、砷化镓、锗中的任意一种半导体材料。衬底层2的厚度也可以在
40nm‑100nm范围内取值，功能材料层1也可以选用金、钛、铁、钨中的任意一种金属材料。

[0033] 将实施例一的谐振吸收器用商业软件FDTD(时域有限差分软件)进行仿真计算，在x方向和y方向都采用周期边界条件来进行模拟。在吸收器的Z方向采用完美匹配的层
(PML)。从元表面的顶部照射具有沿x轴线偏振的宽频率平面波。反射光谱在后向散射平面
中被检测到。

[0034] 在上面所述的条件下，我们模拟了硅纳米谐振器基于表面的吸收体的光反射，透射和吸收特性。周围其它空间的折射率为1。对于光吸收率A，可以将硅纳米谐振器的吸收率
定义为A＝1‑R‑T，其中，A表示光吸收率，R表示光谱反射，T表示光谱透射，这些数值是通过
数值计算的。由于衬底层的厚度足够大，透射光可以忽略不计，所以吸收率公式简化为：A＝
1‑R。仿真计算的吸收图谱如图4所示，结果表明对于整个可见光360nm‑780nm波段，谐振吸
收器对整个波段的吸收全部大于80％。

[0035] 与现有的吸收器存在的不能兼顾吸收率，吸收带宽和占空比的缺陷相比，本发明的谐振吸收器能够兼顾吸收率高，宽带吸收且整体厚度较薄，无需通过采用工序复杂、工艺
难度高、制备成本高的方式即能够达到实现可见光吸收频带展宽的目的。

[0036] 实施例二

[0037] 与实施例一不同的是，本实施例功能材料层采用砷化镓，实施例二的仿真计算与实施例一基本相同。

[0038] 将实施例二谐振吸收器用商业软件FDTD(时域有限差分软件)进行类似的仿真计算，结果表明，当上层图案化功能材料换为砷化镓时，对于整个可见光360nm‑780nm波段，谐
振吸收器对整个波段的吸收甚至可以全部大于90％。

[0039] 本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本
发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变
更，均应落在本发明的保护范围之内。