[发明专利]基于铝‑砷化镓结构的宽波段光完美吸收器

说明书

技术领域

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(《Physical Review Letters》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(《Laser Photonics Reviews》，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。

发明内容

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。