一种兼容CMOS工艺的宽波段超材料吸收器的制作方法

本发明涉及一种吸收器，具体涉及一种兼容cmos工艺的宽波段超材料吸收器，属于光学器件技术领域。

背景技术：

超材料指的是一类在自然界不存在的，具有特殊性质的人造材料，具有传统材料不具备的性质，能够实现传染材料无法实现的功能。超材料在控制电磁波的吸收、反射和传播方面显示出强大而通用的能力。他们激发了惊人的设计和设备，包括一个完美的镜头，黑洞，等离子体传感器，新颖的太阳能收集概念和更多。其中，超材料吸收器的性能与组成材料及其单元结构和尺寸有关，具有近乎完美的吸收、深度亚波长厚度和可调谐性。在光学范围内，通常由金、银、铜或镍等金属制成的超材料吸收器能够显著增加结构的光学截面，从而在一定的光谱范围内大大增强由表面等离子体激振引起的吸收。然而，由于等离子体激振的共振性质以及强金属响应引起的非共振频率的高反射系数，使得吸收带宽往往受到高度限制。

人工结构材料的独特之处在于其能带结构和色散关系可以被精确地调整。研究表明，在入射光的照射下，金属表面的表面电荷密度波可以被激发，这种表面电荷密度波通常被称为表面等离子体激元(sps)。因此，振荡表面等离子体的辐射可以调节周围的电磁场。在共振频率上，这种效应变得如此强烈，以至于一个薄的金属结构可以有效地调整光的状态。

大多数超材料吸收器利用等离子体纳米结构中的固有损耗来产生大的吸收。在介电层中嵌入的等离子体散射体已经被发现，通过捕获入射太阳辐射来实现大的吸收增强。强烈的局部场增强在亚波长等离子体纳米共振结构形成电和磁共振是应用最广泛的方法来增强吸收,甚至达到近完美吸收。该方式在实现不同波长范围的偏振和入射角不敏感吸收器方面具有很大的灵活性。虽然已经证明了利用等离子体纳米谐振器的各种完美吸收器，但由于等离子体谐振的带宽有限，很难在较宽的波长范围内保持较大的吸收。多波段吸收已经被证明是通过在亚波长单位细胞内结合不同类型的等离子体谐振器，但吸收的总带宽受到亚波长周期内容纳不同谐振器的能力的限制。多层结构已经被提出作为这个问题的解决方案，但是这种结构的制造是繁琐的，可以用简单的纳米制造方法实现的设计通常是首选的。同时，随着cmos技术的快速发展，cmos工艺具有成本低，集成度高的特点，采用兼容cmos工艺的超材料结构能够极大的降低超材料结构的制造成本，并简化制造步骤。

mim(metal-insulator-metal)是由金属、介质、金属三层薄膜组成的夹心结构。该结构在超表面吸收等纳米光学领域具有较广泛的应用。

氮化钛(tin)熔点高达2930℃，耐高温，在可见光-近红外范围内表现出等离子体共振效应，在此范围内增强了等离子体吸收效果。它还具有较大的损耗和良好的阻抗匹配空气在可见范围内，使它适合于光吸收。在超材料设计中，我们可以结合等离子体的性质和氮化钛的大的内在损耗来实现大范围的高光学吸收。氮化钛的其他显著性能包括与cmos工艺的相容性、可调节的介电常数、强的机械稳定性等。现有研究表明，氮化钛的电导率和介电常数等关键性能仅随温度变化很小。因此，氮化钛是一个有前途的高温(难熔)等离子体应用的候选材料。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种兼容cmos工艺的宽波段超材料吸收器，该技术方案在lcos中可充当遮光层的作用，以其极低的透过率可防止lcos中上层的可见光透过遮光层，同时本发明在可见光波段的高吸收率可以防止可见光在遮光层发生反射影响lcos的调制作用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种兼容cmos工艺的宽波段超材料吸收器，所述结构包括依次设置的下基板、绝缘介质。下基板包括具有可见光波段超吸收功能的mim结构。本发明可以实现兼容cmos工艺的宽波段超表面吸收结构，在可见光和光通信波段实现宽范围的高吸收率功能。

优选地，所述下基板中具有可见光波段与1550nm光通信波段超吸收功能的mim结构由底层金属、介质层、上层金属构成。通过使用金属-介质-金属的mim结构能够在金属与介质交界处激发表面等离激元，在特定波长处与入射光产生共振，使结构具有光吸收作用。

优选地，所述mim结构中可选用的底层金属/金属化合物材料包括：铝(al)、钛(ti)、氮化钛(tin)、铜(cu)、银(ag)、金(au)、锗(ge)；可选用的介质层材料包括：硅(si)、二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(sion)、聚酰亚胺(pl)、氧化铝(al2o3)；可选用的上层金属/金属化合物包括：铝(al)、钛(ti)、氮化钛(tin)、氮氧化钛(tion)、铜(cu)、银(ag)、金(au)、锗(ge)。可选用多种金属与介电材料提高了此超表面结构的通用性，在选用多种成份时，各个成分之间的配比应满足相应材料的cmos制作工艺要求，其结构周期与所选用材料的介电常数相关。

优选地，所述绝缘介质材料中可选用的介质材料包括：硅(si)、二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(sion)。

具体地，所述mim结构分布方式可选用周期或非周期分布方式。

优选地，所述mim结构位于硅基液晶微显示芯片的顶层金属的下一层，吸收顶层金属间隙的漏光。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案可以实现兼容cmos工艺的宽波段超表面吸收结构，在可见光和光通信波段实现宽范围的高吸收率功能应用方向。本发明的宽波段超表面吸收结构结构简单，制作方便，其兼容cmos工艺的特点能够适用于大面积批量生产，使得制备成本大大降低，有望在液晶空间光调制器，ccd、cmos图像传感器中广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种结构示意图；

图2为本发明实施例中mim阵列周期分布示意图；

图3为本发明实施例中的一种典型应用结构；

图4-图7为此超材料吸收器的结构变形示意图。

图8为本发明实施例中的一种典型应用结构示意图。

图9为本发明在ccd或cmos图像传感器中的应用实例示意图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，本发明实施例公开的一种兼容cmos工艺的超材料吸收器，在可见光和光通信波段可实现宽范围的高吸收率功能。所述超表面吸收器采用mim结构，实现对cmos工艺的兼容与可见光波段与1550nm光通信波段的宽带吸收。本发明的超表面吸收器是基于表面等离激元共振原理，在入射光的辐照下，金属纳米结构表面产生感应电荷，由表面电荷引起自由电子的集体震荡而产生表面等离激元共振，导致金属结构周围出现近场增强，并产生强烈的光学散射和吸收共振现象。表面等离激元起源于金属(或高掺杂半导体)纳米结构中类自由电子在外电磁场激发下，电子运动与电磁场互相激励产生的共谐振荡。表面等离激元是电子及电磁场的共谐振荡量子化后的准粒子。表面等离激元携带有相应的准动量和能量。在金属薄膜和介质的界面处，表面等离激元可以沿着界面传播。如果把金属制备成纳米颗粒，电子的共谐振荡受制于纳米颗粒几何形状所产生的边界条件，电子谐振在特定的波长处与激发其的电磁场产生共振，这样的共振称为局域表面等离激元共振。这种共振的存在使得对于不同的频率的光波会产生不同情况的反射、透射、衍射以及共振吸收。通过研究发现光学散射和光学吸收的共振峰位置会与纳米金属结构的材料、形状及尺寸的变化而变化。

本发明中所述下基板中具有可见光波段与1550nm光通信波段超吸收功能的mim结构由底层金属/金属化合物，介质层，上层金属/金属化合物构成。可选用的底层金属/金属化合物材料包括：铝(al)、钛(ti)、氮化钛(tin)、铜(cu)、银(ag)、金(au)、锗(ge)；可选用的介质层材料包括：硅(si)、二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(sion)、聚酰亚胺(pl)、氧化铝(al2o3)；可选用的上层金属/金属化合物包括：铝(al)、钛(ti)、氮化钛(tin)、氮氧化钛(tion)、铜(cu)、银(ag)、金(au)、锗(ge)。

本发明中所述的绝缘介质材料中，可选用的介质材料包括：硅(si)、二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(sion)。

图1是本发明的超材料吸收器的一种结构示意图，所述结构包括依次设置的下基板、绝缘介质。下基板包括具有可见光波段与1550nm光通信波段超吸收功能的mim结构。

超材料吸收器的下基板具有三层结构。最底层由450nm厚的铝、5nm厚的钛以及50nm厚的氮化钛组成，边长1070nm。中间层是320nm厚的二氧化硅(sio2)介质,这是一个光学透明材料，其无损介质的折射率为1.475,熔点1600℃。最上层由70纳米厚的氮化钛(tin)长方体构成，为矩形单元，边长为730nm。它们周期性地分布在x和y两个方向上，间距为340nm。对称长方体单元单元使整个结构偏振无关。在正常入射在可见范围内，tin同时具有介电和等离子体的性质。氮化钛超材料的模拟吸收在380-780纳米的整个可见范围内最高可达93％，最低吸收率为70％，在可见光波段具有80％的平均吸收率。这证实了此mim结构具有较强的宽频带吸收。同时该结构在1550纳米的光通信波段具有约为77％的吸收率，使得该结构具有在可见光与1550纳米的光通信波段同时具有较强的吸收效果。tin材料不仅在可见光波段具有较好的吸收效果，同时该结构的设计能够满足标准的cmos工艺要求，使得此结构具有低成本且制造过程简便的特点。

图2为本发明mim结构周期性排布的示意图，这种周期结构有助于拓展光吸收的区域，图2中虽然为一种周期结构，实际的应用中，可以根据需要裁剪成各种外形尺寸，和各种随机的排列图案，使用非周期结构同样能实现在可见光波段与1550nm光通信波段的宽带吸收。

图3-图7为此超材料吸收器的结构变形。针对mim结构中最上层tin图案的变形，可以通过改变最上层tin的图案，从而改变整个超材料吸收器在不同波段的吸收率。如图3所示，当将上层tin图案改为半径370nm的圆形时，超材料结构在1550nm光通信波段吸收率能够达到95％，而可见光波段的最低吸收率降低至65％。图4上层的tin层为边长400nm的六边形结构，可见光波段平均吸收率82％，1550nm光通信波段吸收率79％；图5为边长340nm的三角形结构，可见光波段平均吸收率75％，1550nm光通信波段吸收率95％；图6为长为350nm，宽为100nm的十字形结构，可见光波段平均吸收率78％，1550nm光通信波段吸收率98％；图7为将四个周期为1070nm的且具备不同边长的tin正方形图案拼凑而成的超材料结构，四个tin正方形图案的边长分别为500nm、600nm、700nm、800nm，在可见光波段平均吸收率81％，1550nm光通信波段吸收率88％。可以根据实际应用情况调整超材料结构参数，得到符合设计要求的吸收结构。

图8为本发明实施例中的一种典型应用结构，此超材料吸收器在硅基液晶(lcos)中可作为遮光层吸收可见光。lcos是一种反射型的液晶显示面板，显示原件采用反射型液晶原件lcos，能够实现无缝连接的图像显示。lcos芯片的底层为硅基底板(cmos集成电路)，并给铝质像素衬底提供驱动电压。导向沟槽之间为液晶层，最上层为导电玻璃，和铝质像素衬底一起驱动液晶分子，从而实现对入射光振幅和相位的调制。lcos芯片将微电路部分集成在像素反射镜下面，使像素填充率得到显著提高，可达90％以上。本发明在lcos中可充当遮光层的作用，以其极低的透过率可防止lcos中上层的可见光透过遮光层，同时本发明在可见光波段的高吸收率可以防止可见光在遮光层发生反射影响lcos的调制作用。

图9为本发明在ccd或cmos图像传感器中的应用实例，无论是ccd还是cmos，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，ccd/cmos感光元件的核心都是一个感光二极管。在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，cmos传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。在ccd或cmos传感器的底层光电信号转换电路中，本发明可作为遮光层，遮挡在传感器上方，使它完全不感光，这部分体现出的即是光遮断黑电平，滤除了多余的光线对电路的影响。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。