[發(fā)明專利]基于鋁?砷化鎵結(jié)構(gòu)的寬波段光完美吸收器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710598766.8
• 申請(qǐng)日: 2017-07-21
• 公開（公告）號(hào): CN107369721A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉正奇;劉桂強(qiáng);劉曉山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/02
• 分類號(hào): H01L31/02;H01L31/0216;H01L31/0352
• 代理公司: 南昌華成聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)36126
• 代理人: 黃晶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電材料和光子學(xué)等領(lǐng)域，具體涉及一種基于鋁-砷化鎵結(jié)構(gòu)的寬波段光完美吸收器。

背景技術(shù)

通常把電磁波頻譜中的紅外波段劃分為近紅外(0.76μm～2.5μm)、中紅外(2.5μm～25μm)和遠(yuǎn)紅外(25μm～1000μm)三個(gè)波段。近紅外光譜區(qū)與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)(N-H、O-H、C-H)振動(dòng)的合頻和各級(jí)倍頻的吸收區(qū)一致，通過測試樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中分子的特征信息，而且利用光譜技術(shù)進(jìn)行樣品分析具有快速、方便、高效、準(zhǔn)確，不消耗化學(xué)試劑，不污染環(huán)境和不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)。

近紅外波段在光電探測、光電轉(zhuǎn)換和半導(dǎo)體光敏元件等領(lǐng)域也具有非常廣闊的應(yīng)用。這些光電器件往往基于的工作原理是光電效應(yīng)，即在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電子或光生載流子。光電探測器和其他光電轉(zhuǎn)換和半導(dǎo)體光敏元件在軍事、民用以及其他國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛用途。目前，紅外光電探測器系列就包括了GaAs探測器、InGaAs探測器、InAs探測器、PbSe探測器、InP探測器以及HgCdTe探測器等眾多光電探測器。半導(dǎo)體光敏元件主要是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換傳感器。采用光、電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)無接觸、遠(yuǎn)距離、快速和精確測量，因此半導(dǎo)體光敏元件廣泛應(yīng)用于精密測量、光通信、攝像、夜視、遙感、制導(dǎo)、以及其他測量和控制裝置中。而在這些光電功能器件的應(yīng)用和開發(fā)中，如何有效提升半導(dǎo)體材料的光吸收效率，進(jìn)而提升光電響應(yīng)效應(yīng)，是突破技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸。因此，結(jié)合半導(dǎo)體材料進(jìn)行光完美吸收研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電磁波完美吸收器最先由美國波士頓學(xué)院的Landy課題組于2008年提出并在微波波段獲得驗(yàn)證(《Physical Review Letters》第100卷，第207402頁(2008))。在結(jié)構(gòu)中，通過電磁共振現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在共振波長處既沒有反射(反射率接近為0)也沒有透射(透射率為0)，從而根據(jù)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)的定義可以得到吸收率A接近100％的完美吸收。但此種結(jié)構(gòu)只能吸收單一共振波長的電磁波；且中間介質(zhì)絕緣膜層為低介電材料，并沒有光電功能材料比如半導(dǎo)體材料等。

近紅外波段光完美吸收器可以作為光電轉(zhuǎn)換和探測器、熱發(fā)射器的結(jié)構(gòu)單元，或作為涂層材料以減小電磁波的雜散發(fā)射，然而目前的近紅外光完美吸收器往往只有一個(gè)吸收頻帶。然而，在寬波段近紅外濾波器、光電探測器、生物與化學(xué)中的分子和離子檢測等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用中，要求吸收器具有寬波段光吸收的特性。當(dāng)前，往往通過使用不同尺寸的結(jié)構(gòu)單元陣列或構(gòu)建由多個(gè)不同尺寸大小的亞單元組成的一個(gè)復(fù)合共振單元的結(jié)構(gòu)體系，再基于每個(gè)尺寸陣列或尺寸單元各自支持的共振頻率，從而在頻譜上疊加不同共振頻率的光吸收，實(shí)現(xiàn)寬波段光吸收。但是這些光完美吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜且光吸收響應(yīng)的可重復(fù)性差。

此外，幾乎所有的光完美吸收器包括近紅外波段吸收器的結(jié)構(gòu)中都不含半導(dǎo)體材料，比如，在不同吸收波段的光完美吸收器(《Laser Photonics Reviews》，第8卷，第495頁(2014))，其結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)都是常見的氟化鎂、二氧化硅以及氧化鋁等絕緣材料。而要有效地實(shí)現(xiàn)光生載流子以及其他光電響應(yīng)，半導(dǎo)體材料以及基于半導(dǎo)體材料的光完美吸收器是不可或缺的，可以說，基于半導(dǎo)體材料的光完美吸收器是實(shí)現(xiàn)電磁波吸收器在紅外光電檢測器件、光電子功能器件、光電材料和光電集成等領(lǐng)域應(yīng)用的必要條件。因此，我們急需一種基于半導(dǎo)體材料的光完美吸收器。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述光完美吸收器的不足，本發(fā)明提供一種工作在近紅外波段的基于鋁-砷化鎵結(jié)構(gòu)的寬波段光完美吸收器，旨在引入砷化鎵材料、利用砷化鎵電磁共振特性，利用單一結(jié)構(gòu)尺寸的砷化鎵共振結(jié)構(gòu)本身具備的光學(xué)共振效應(yīng)及其與入射光的強(qiáng)耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了寬波段的光完美吸收，極大地簡化了吸收器的結(jié)構(gòu)單元和克服了以往光完美吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜與光吸收響應(yīng)的可重復(fù)性差等缺陷。

本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

基于鋁-砷化鎵結(jié)構(gòu)的寬波段光完美吸收器，它包括襯底、鋁膜層、砷化鎵結(jié)構(gòu)層，其特征在于：自下而上依次設(shè)置襯底、鋁膜層、砷化鎵結(jié)構(gòu)層，所述砷化鎵膜層和砷化鎵顆粒陣列組成砷化鎵結(jié)構(gòu)層；通過調(diào)節(jié)砷化鎵結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和晶格周期，調(diào)控光完美吸收的頻譜范圍。

所述砷化鎵顆粒組成的周期性陣列圖案設(shè)置在砷化鎵膜層上表面。

所述砷化鎵結(jié)構(gòu)層的材料為砷化鎵。

所述金屬膜層的材料為鋁。

所述砷化鎵顆粒的結(jié)構(gòu)為圓柱形結(jié)構(gòu)。