基于铝‑砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的制作方法

本发明涉及光电材料和光子学等领域，具体涉及一种基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器。

背景技术：

通常把电磁波频谱中的红外波段划分为近红外(0.76μm～2.5μm)、中红外(2.5μm～25μm)和远红外(25μm～1000μm)三个波段。近红外光谱区与有机分子中含氢基团(n-h、o-h、c-h)振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过测试样品的近红外光谱，可以得到样品中分子的特征信息，而且利用光谱技术进行样品分析具有快速、方便、高效、准确，不消耗化学试剂，不污染环境和不破坏样品等优点。

近红外波段在光电探测、光电转换和半导体光敏元件等领域也具有非常广阔的应用。这些光电器件往往基于的工作原理是光电效应，即在光的照射下，物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电子或光生载流子。光电探测器和其他光电转换和半导体光敏元件在军事、民用以及其他国民经济的各个领域都有广泛用途。目前，红外光电探测器系列就包括了gaas探测器、ingaas探测器、inas探测器、pbse探测器、inp探测器以及hgcdte探测器等众多光电探测器。半导体光敏元件主要是基于半导体光电效应的光电转换传感器。采用光、电技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、摄像、夜视、遥感、制导、以及其他测量和控制装置中。而在这些光电功能器件的应用和开发中，如何有效提升半导体材料的光吸收效率，进而提升光电响应效应，是突破技术发展的重要瓶颈。因此，结合半导体材料进行光完美吸收研究具有非常重要的现实意义。

电磁波完美吸收器最先由美国波士顿学院的landy课题组于2008年提出并在微波波段获得验证(《physicalreviewletters》第100卷，第207402页(2008))。在结构中，通过电磁共振现象实现了结构在共振波长处既没有反射(反射率接近为0)也没有透射(透射率为0)，从而根据吸收a＝1-r-t(其中a代表吸收率，r代表反射率，t代表透射率)的定义可以得到吸收率a接近100％的完美吸收。但此种结构只能吸收单一共振波长的电磁波；且中间介质绝缘膜层为低介电材料，并没有光电功能材料比如半导体材料等。

近红外波段光完美吸收器可以作为光电转换和探测器、热发射器的结构单元，或作为涂层材料以减小电磁波的杂散发射，然而目前的近红外光完美吸收器往往只有一个吸收频带。然而，在宽波段近红外滤波器、光电探测器、生物与化学中的分子和离子检测等技术领域的应用中，要求吸收器具有宽波段光吸收的特性。当前，往往通过使用不同尺寸的结构单元阵列或构建由多个不同尺寸大小的亚单元组成的一个复合共振单元的结构体系，再基于每个尺寸阵列或尺寸单元各自支持的共振频率，从而在频谱上叠加不同共振频率的光吸收，实现宽波段光吸收。但是这些光完美吸收器的结构设计非常复杂且光吸收响应的可重复性差。

此外，几乎所有的光完美吸收器包括近红外波段吸收器的结构中都不含半导体材料，比如，在不同吸收波段的光完美吸收器(《laserphotonicsreviews》，第8卷，第495页(2014))，其结构中的介质都是常见的氟化镁、二氧化硅以及氧化铝等绝缘材料。而要有效地实现光生载流子以及其他光电响应，半导体材料以及基于半导体材料的光完美吸收器是不可或缺的，可以说，基于半导体材料的光完美吸收器是实现电磁波吸收器在红外光电检测器件、光电子功能器件、光电材料和光电集成等领域应用的必要条件。因此，我们急需一种基于半导体材料的光完美吸收器。

技术实现要素：

针对上述光完美吸收器的不足，本发明提供一种工作在近红外波段的基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器，旨在引入砷化镓材料、利用砷化镓电磁共振特性，利用单一结构尺寸的砷化镓共振结构本身具备的光学共振效应及其与入射光的强耦合效应，实现了宽波段的光完美吸收，极大地简化了吸收器的结构单元和克服了以往光完美吸收器的结构设计复杂与光吸收响应的可重复性差等缺陷。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器，它包括衬底、铝膜层、砷化镓结构层，其特征在于：自下而上依次设置衬底、铝膜层、砷化镓结构层，所述砷化镓膜层和砷化镓颗粒阵列组成砷化镓结构层；通过调节砷化镓结构的几何尺寸和晶格周期，调控光完美吸收的频谱范围。

所述砷化镓颗粒组成的周期性阵列图案设置在砷化镓膜层上表面。

所述砷化镓结构层的材料为砷化镓。

所述金属膜层的材料为铝。

所述砷化镓颗粒的结构为圆柱形结构。

所述砷化镓膜层厚度处于20nm-50nm范围。

所述衬底的材料为硅片、玻璃或柔性材料(比如聚二甲基硅氧烷以及聚合物等材料)。

所述吸收器砷化镓颗粒阵列晶格的周期为300nm～700nm。

所述砷化镓颗粒的图案形状大小相同，半导体颗粒的尺寸大小包括直径范围为200nm～600nm、厚度范围为20nm～100nm。

所述吸收器结构可通过物理沉积法包括离子溅射法和磁控溅射法以及刻蚀技术包括激光刻蚀技术等来制备。

本发明的宽波段光完美吸收器具有如下优点：

1、通过采用砷化镓颗粒阵列以及砷化镓膜层构成的砷化镓结构作为近红外光完美吸收层，有效避免了基于金属颗粒构建光完美吸收器所无法克服的金属内在欧姆损耗以及金属自由电子集体震荡热效应等的不良干扰。

2、通过利用砷化镓颗粒本身以及砷化镓膜层能提供不同的共振模式，从而实现在不同波段产生共振光吸收，实现宽波段的光完美吸收。

3、相对于现有的光完美吸收器，本发明的光完美吸收峰值光谱范围发生在近红外波段；

4、结构简单，便于制备，半导体材料的运用，易于与其他光电器件进行系统集成；

5、基于单一尺寸的砷化镓颗粒共振单元以及砷化镓膜层，产生宽波段的光完美吸收特性，在红外探测、光电转换、红外成像以及热辐射器等领域都具有广泛的应用前景；

6、通过采用砷化镓颗粒阵列以及砷化镓膜层构成的砷化镓结构作为近红外光共振吸收层，有利于利用砷化镓材料内在的光电特性进行近红外光电转换、光电检测和光生电子等方面的应用。

附图说明

下面结合附图进一步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，其中为了清楚地展示本发明所涉器件的结构，对其中选定的砷化镓结构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，以下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。

图1是本发明中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的结构示意图；

图2是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。

图3是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为20nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。

图4是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为40nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。

图5是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为240nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为360nm。

图6是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为480nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为600nm。

图7是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为200nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为50nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。

图8是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为50nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为10nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。

图9是本发明一可选实施方案中基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为580nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为700nm。

图中标记：1、砷化镓颗粒，2、砷化镓膜层，3、铝膜层，4、衬底。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，一种基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器，自下而上依次设置衬底4、铝膜层3、砷化镓膜层2和砷化镓颗粒1，所述砷化镓膜层2和砷化镓颗粒1组成砷化镓结构层，砷化镓颗粒1阵列在砷化镓膜层2上，半导体颗粒1为圆柱形结构，阵列为正方排列；所述铝膜层3、砷化镓膜层2和砷化镓颗粒1配合形成具有宽波段光完美吸收特性的结构，通过调节砷化镓结构的几何参数和单元晶格的周期，调控近红外波段宽波段光完美吸收频谱范围。

前述衬底4可选用但不限于硅片、玻璃、不锈钢等硬质，或塑料、聚合物等柔性衬底，用于支撑基于铝膜层-砷化镓结构层的宽波段光完美吸收器。

前述铝膜层3可以采用一层连续的金属铝薄膜，其厚度优选在50nm以上，尤其是50nm～200nm。

作为较佳实施方案之一，前述砷化镓颗粒1由圆柱形砷化镓共振单元排列并构成周期性的微纳米结构。

前述砷化镓结构层和铝膜层一起构成具有宽波段光完美吸收的结构。进一步的，通过调控前述砷化镓结构层的几何参数，铝膜层与砷化镓结构层的复合结构、阵列的晶格周期，可以优化设计工作在不同波段的光完美吸收器结构。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砷化镓颗粒的尺寸大小以及阵列的周期参数，使得砷化镓颗粒阵列产生的光学共振光谱与入射光光谱在频域上重叠，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。

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：

实施例1

参阅图2，图2系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。从图上可以得出，最大吸收率达到了99.8％，而光谱范围从615nm到960nm内的吸收率都超过80％，表明在此铝-砷化镓结构产生了一个宽波段的光吸收响应。

实施例2

参阅图3，图3系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为20nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的砷化镓膜层厚度，最大吸收率达到了99.9％，而光谱范围从518nm到888nm内的吸收率都超过80％，表明在此结构参数下，铝-砷化镓结构也可以提供了一个宽波段的光完美吸收响应。

实施例3

参阅图4，图4系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为40nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的砷化镓膜层厚度，砷化镓颗粒大小和阵列周期尺寸大小，在光谱范围从702nm到1010nm内的吸收率都超过80％，表明在此结构参数下，铝-砷化镓结构也可以提供了一个宽波段的光完美吸收响应，此外，最大吸收率达到了96.5％。

实施例4

参阅图5，图5系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为240nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为360nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的砷化镓颗粒大小和阵列周期尺寸大小，在光谱范围从585nm到897nm内的吸收率都超过80％，表明在此结构参数下，铝-砷化镓结构也可以提供了一个宽波段的光完美吸收响应，此外，最大吸收率达到了99.9％。

实施例5

参阅图6，图6系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为480nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为600nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的砷化镓颗粒大小和阵列周期尺寸大小，在光谱范围从639nm到999nm内的吸收率都超过80％，表明在此结构参数下，铝-砷化镓结构在近红外波段可以提供了一个宽波段的光完美吸收响应，此外，最大吸收率达到了99.9％。

实施例6

参阅图7，图7系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为200nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为50nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的砷化镓颗粒厚度，砷化镓颗粒大小和阵列周期尺寸大小，在光谱范围从640nm到906nm内的吸收率都超过80％，表明在此结构参数下，铝-砷化镓结构在近红外波段可以提供了一个宽波段的光完美吸收响应，此外，最大吸收率也达到了99.9％。

实施例7

参阅图8，图8系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为50nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为380nm，厚度为10nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为500nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的砷化镓颗粒厚度，砷化镓颗粒大小和阵列周期尺寸大小，在光谱范围从566nm到820nm内的吸收率都超过70％，表明在此结构参数下，铝-砷化镓结构在近红外波段可以提供了一个宽波段的光吸收响应。

实施例8

参阅图9，图9系本实施例基于铝-砷化镓结构的宽波段光完美吸收器的光吸收图。铝膜层厚度为100nm，砷化镓膜层厚度为30nm。砷化镓颗粒为圆柱形结构，直径为580nm，厚度为30nm。砷化镓颗粒阵列周期大小为700nm。从图上可以发现，通过调控吸收器中的砷化镓颗粒大小和阵列周期尺寸大小，在光谱范围从744nm到962nm内的吸收率都超过90％，表明在此结构参数下，铝-砷化镓结构在近红外波段也可以提供了一个宽波段的完美光吸收响应。