[实用新型]一种硅基超宽谱光子吸收器

说明书

本实用新型属纳米光子学领域，为解决现有技术中硅基光学和光电器件不能在紫外、可见到近红外波段实现高效吸收的技术问题，提出一种硅基超宽谱光子吸收器，包括第一金属薄膜层、第一无序纳米碗阵列层、硅基底、第二无序硅纳米碗阵列层、第二金属薄膜层；双面无序金属/硅纳米碗阵列的复合结构，可以将200～2500nm波段范围内的入射光子进行大于80％的高效吸收，且对入射光的偏振和角度不敏感，在光电探测与反探测、太阳能电池和光电传感等领域具有广泛应用前景。

技术领域

本实用新型涉及一种可在紫外-可见-近红外波段范围内均可实现高效吸收的光子吸收器，尤其涉及超宽波段范围内的光场调控技术，属纳米光子学领域。

背景技术

完美宽谱光子吸收器是一种能够将波长或频率范围很宽的入射光完全吸收(即没有反射和透射)的器件，这种宽谱光子吸收在光电探测与反探测、太阳能转换、光传感、光通信等领域有着极广泛的应用。它通常借助器件的表面处理或多层结构，对入射光的光场进行调控，使其局域在吸光材料层内部而显著增强吸光材料的吸收效率，同时抑制器件的整体反射率与透射率。

当前，光学和光电器件在实际应用中，其性能指标并不能满足日益增加的应用需求，亟需在某些方面提高其性能指标。例如，硅基光电器件的响应波段较窄(仅在200～1100nm波长范围内)，其关键问题是硅材料受能带带隙限制不能在更宽(超过1100nm波长)的波段范围内对入射光子进行有效吸收，而低于1100nm波段范围内的入射光还会受到器件表面反射而明显降低。通常，提高半导体材料对光子能量大于带隙的吸收效率的办法是在半导体材料的光入射面引入光减反膜体系，但这种办法只适用于特定的窄带波段，无法在单一减反膜体系下实现宽波段的减反效果。同时，实现超半导体带隙限制的宽光谱吸收的常用办法是进行双层或更多层宽带隙与窄带隙半导体材料的叠层设计。虽然这种设计能够实现超宽波段的光子吸收，然而，入射光子被其中某一层半导体材料吸收而产生的载流子却不能高效地抽取出来，即光生电子或光生空穴必须穿过其他半导体材料层才能被外围电路收集，导致器件的光响应度低。此外，提高某一半导体材料的光子吸收效率的办法是在其表面引入微纳结构化处理，如在平面硅表面引入随机金字塔结构化处理，虽然这种办法能显著提高光吸收效率，但硅材料的光子吸收波段范围并未明显扩宽。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术中硅基光学和光电器件不能对紫外-可见-近红外波段范围内的入射光子进行全谱、高效吸收的问题。采用的技术方案如下：

一种硅基超宽谱光子吸收器，所述的光子吸收器为复合层式结构，其特征在于：沿着光入射方向依次包括第一金属薄膜层、第一无序纳米碗阵列层、硅基底、第二无序纳米碗阵列层、第二金属薄膜层；所述的第一无序纳米碗阵列层和第二无序纳米碗阵列层在双面均抛光的硅基底上刻蚀所得；所述的第一金属薄膜层以第一无序纳米碗阵列层为基底沉积所得，第二金属薄膜层以第二无序纳米碗阵列层为基底沉积所得；所述的第一金属薄膜层和第二金属薄膜层的厚度均为10～40nm；所述的第一无序纳米碗阵列层和第二无序纳米碗阵列层中的纳米碗的直径范围为40～500nm，深度为50～1000nm。

优选地，所述的第一金属薄膜层和第二金属薄膜层为金、银、钛、镍、铬、铂、铁中任意一种金属形成的薄膜层或由任意多种金属形成的薄膜层的叠层。如3nm厚的钛薄膜层上叠加20nm的金薄膜层。

优选地，所述的第一无序纳米碗阵列层和第二无序纳米碗阵列层中的纳米碗阵列为密排形貌，单个纳米碗为随机分布。

优选地，双面抛光的所述硅基底的厚度为50～1000μm。