[发明专利]叠层亚波长减反结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米结构，尤其涉及一种适用于太阳能电池系统、光显示面发射器件等需要宽谱广角进出光的亚波长减反结构及其制备方法，属于微纳光子学领域。 

背景技术

不同折射率物质之间的界面反射率是影响接收光、发出光以及传输光器件和设备性能的重要参数，极低的界面反射率是光显示、宽谱光源、太阳电池、透镜等领域追求的重要指标。通常，采用蒸镀光学减反膜来降低光学界面反射。为了尽量在广角宽谱范围内降低界面反射率，通常需设计蒸镀多层的光学膜，而且光学膜材料不尽唯一。复杂的膜系结构不仅使得镀膜本身工艺要求提高，成功率降低；在使用过程中不可避免地也要经受温度、湿度变化甚至机械冲击，由多层不同材料的光学膜蒸镀的光学界面，由于不同材料之间的热膨胀系数、湿度系数以及弹性模量的不同，不可避免地会造成膜层材料折射率、厚度的变化，甚至恶劣地导致部分光学膜脱落，任何一种变化，都会导致基于相干原理的光学膜透过率的下降甚至于彻底破坏，从而极大地影响相应器件和设备的性能。 

亚波长光栅结构是周期小于入射光波长的表面浮雕光栅结构(如图1a和图1b所示)，两种介质和相应亚波长光栅结构的折射率分别为n₁、n₂、n₃，光栅周期为Λ，光栅矢量G=2πΛ,]]>入射光的入射角和光波在真空中的波矢量分别 为θ₁和k，发生零级衍射的条件可表示如下： 

|n₁ksinθ₁+mG|＞n_ik，i＝1，2，3and    m＝±1，±2，±3，......(1)， 

由该式可知，特定波长的入射光发生零级衍射的条件不仅依赖于入射光的入射角，而且取决于材料的折射率和光栅的周期。当光栅的周期足够小时，光栅矢量值足够大，使得上述不等式不再依赖于入射光的波矢和入射角的大小，也就是说，在宽光谱和大角度范围内都可以获得零级衍射，即可获得极高的增透效果，成为广角宽谱范围内减小界面反射率的极有效方式。 

但是在制作方面，真正利用亚波长结构实现广角宽谱范围内的减反效果还有限制。一方面，如果直接采用界面材料蚀刻的办法，按照亚波长零级衍射原理，无疑可以在广角和宽谱范围内获得极低的反射率，但是蚀刻后的表面会产生很多缺陷，特别是对于纳米结构，比表面积增加，表面缺陷所带来的非辐射复合，这些非辐射复合中心的存在对于由此构成的光电器件、特别是有源光电器件造成极大地损失，成为该种结构能否真正作为光学界面、提高相应器件性能的致命因素。另一种亚波长结构是在原有材料表面生长渐变折射率的亚波长纳米结构，采用此种方法无疑不会造成表面的非辐射复合，带来额外的光电损失。但是对于高折射率的衬底材料(比如Si、GaAs、InP等半导体材料)，几乎不可能找到折射率与其相匹配的介质膜材料，因此，在高折射率材料和介质材料之间的界面无疑依然存在较大的反射损耗，成为利用该种方法实现极低反射率的物理限制。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的亚波长减反结构及其制备方法，以解决现有亚波长结构在提高器件整体性能方面的限制。在宽光谱和大角度范围内降 低界面反射损耗的同时，不增加表面的非辐射复合损耗，降低亚波长结构的制备难度。 

实现本发明第一个目的的技术解决方案是： 

叠层亚波长减反结构，其结构图形根据所用材料的折射率分布和所要减反的入射光波长和角度范围计算得到，其特征在于：所述叠层亚波长减反结构包括两部分：其中一部分是在需要减反的、由高折射率材料构成的衬底表面通过蚀刻形成的亚波长图形；另一部分是在前述亚波长图形表面经沉积生长的介质层，二者整合构成叠层亚波长减反结构；其中所述高折射率材料为折射率2.6以上的界面材料，所述亚波长图形为可构成折射率渐变的图形，包括金字塔形或楔形的亚波长减反结构。 

进一步地，所述介质层为均匀的单层介质膜、多层介质膜，或渐变折射率的介质膜，又或者渐变折射率的介质纳米结构，其介质层的材料根据所需减反的材料的折射率来确定。 

进一步地，所述亚波长图形为可构成折射率渐变的图形。