基于一種納米金屬粒子梯度摻雜的復(fù)合材料設(shè)計(jì)

硅基光電子與CMOS工藝兼容，借助成熟的微電子加工工藝平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，具有低成本、高集成度、高可靠性的優(yōu)勢(shì)。其中，硅基半導(dǎo)體探測(cè)器是目前應(yīng)用最為廣泛的可見光波段探測(cè)設(shè)備，將其工作頻段拓展到近紅外波段具有重要意義。由于硅的禁帶寬度，硅基材料在近紅外波段電磁波吸收存在明顯限制，硅基探測(cè)器在近紅外波段的應(yīng)用受到挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院與安徽北方微電子研究院組成的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“納米金屬粒子梯度摻雜的硅基近紅外吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)”為主題的文章。該文章第一作者為孫雨佳，通訊作者為陳方舟副研究員。

本文根據(jù)納米金屬粒子發(fā)生局域表面等離子共振時(shí)產(chǎn)生的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，提出了設(shè)計(jì)了一種硅基的、納米金屬粒子梯度摻雜的近紅外波段吸收增強(qiáng)薄膜。通過等效介質(zhì)理論計(jì)算了不同濃度下?lián)诫s層的介電常數(shù)，模擬計(jì)算了薄膜在不同波長(zhǎng)下的吸收率。結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)可以有效提高硅的近紅外波段吸收率，提升效果最高可達(dá)到10.7 dB。所提出的結(jié)構(gòu)可以有效增強(qiáng)硅基材料在近紅外波段的吸收效率，研究結(jié)果為硅基半導(dǎo)體探測(cè)器在近紅外波段的應(yīng)用提供了重要參考。

復(fù)合介質(zhì)的研究方法

在按照需求設(shè)計(jì)具有特定功能的復(fù)合介質(zhì)時(shí)，常使用等效介質(zhì)理論來快速計(jì)算復(fù)合介質(zhì)的等效電磁參數(shù)，這種方式大大提高了整個(gè)設(shè)計(jì)流程的效率。等效介質(zhì)理論的思想是，當(dāng)電介質(zhì)中的摻雜物大小遠(yuǎn)小于入射波的波長(zhǎng)，該復(fù)合材料就可以從宏觀的角度分析其電磁特性，此時(shí)可以用準(zhǔn)靜態(tài)來近似。

當(dāng)電介質(zhì)中摻雜物的含量較低，微粒間的相互作用和更高的多級(jí)作用可以忽略， 此時(shí)通常采用Maxwell-Garnett理論（下面簡(jiǎn)稱M-G）來計(jì)算復(fù)合介質(zhì)的等效電磁參數(shù)。

根據(jù)銀和金的折射率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以擬合出它們的折射率曲線，如圖1所示（圖中點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，線表示擬合結(jié)果）。然后，得到兩種金屬的介電常數(shù)。接下來可以得到Si摻雜Ag復(fù)合介質(zhì)在可見光和近紅外波段的等效介電常數(shù)。最后，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為復(fù)折射率，并與介質(zhì)硅的復(fù)折射率進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。從圖中可以看出，兩者的主要區(qū)別為760 nm附近的波段范圍，說明摻雜物對(duì)于復(fù)合介質(zhì)電磁性能的影響主要發(fā)生在這個(gè)波段。摻雜對(duì)于復(fù)折射率實(shí)部的影響是，會(huì)在750 nm附近出現(xiàn)值劇烈的折射率變化，產(chǎn)生一個(gè)極大和一個(gè)極小值。摻雜對(duì)于復(fù)折射率虛部的影響是，會(huì)在760 nm附近產(chǎn)生一個(gè)峰值。

圖1 金屬的復(fù)折射率與擬合曲線。(a)銀的折射率；(b)金的折射率

圖2 Si摻雜Ag復(fù)合材料和硅的復(fù)折射率

梯度摻雜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種總厚度為1000 nm復(fù)合硅層，其中硅層被等分為20層，每層納米金屬粒子的摻雜濃度從0.25%開始以0.25%為梯度均勻增加直到5%，或從5%開始以0.25%為梯度均勻減少直到0.25%。選擇銀和金兩種納米金屬粒子進(jìn)行摻雜。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示（其中，(a)為濃度遞增摻雜結(jié)構(gòu)；(b)為濃度遞減摻雜結(jié)構(gòu)），示意圖分別給出了頂部、中部和底部摻雜層，對(duì)其他摻雜層進(jìn)行了適當(dāng)?shù)氖÷浴?/p>

圖3 梯度摻雜材料的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為不同摻雜濃度下復(fù)合介質(zhì)的等效折射率?？梢钥闯?，與未摻雜的介質(zhì)硅相比，摻雜濃度越高，760 nm波長(zhǎng)附近的介質(zhì)等效折射率變化越明顯。

圖4 不同摻雜濃度的介質(zhì)的等效折射率。(a)復(fù)折射率實(shí)部；(b)復(fù)折射率虛部

使用時(shí)域有限差分法（FDTD）來模擬計(jì)算復(fù)合介質(zhì)在可見光和近紅外波段的吸收。這里采用兩種摻雜的方式，一種是從頂層開始摻雜濃度逐漸下降，另一種是從頂層開始摻雜濃度逐漸提升。仿真設(shè)置如圖5所示。為了減少仿真時(shí)間，仿真區(qū)域設(shè)置為2D，如方框所示。上下的邊界設(shè)置為PML邊界，左右邊界設(shè)置為Periodic邊界，為了避免產(chǎn)生摻雜層厚度導(dǎo)致的法布里-珀羅諧振，將最后一層摻雜層延伸到仿真區(qū)域底部的邊界以外。另外三個(gè)平行平面從上到下分別代表反射監(jiān)視器、光源、透射監(jiān)視器。其中光源選擇垂直入射的平面波。

圖5 仿真模型示意圖

結(jié)果分析

硅基梯度摻雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，一是對(duì)比不同摻雜方式的吸收提升效果，二是納米金屬粒子的選擇。通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而得到最優(yōu)解。選用梯度緩慢變化的摻雜方式是為了避免納米粒子摻雜濃度過大引起折射率的變化，因?yàn)檩^大的濃度梯度會(huì)引起反射率的突變。在超材料的設(shè)計(jì)中，常選用金和銀兩種貴金屬，將它們應(yīng)用在可見光和紅外波段往往會(huì)帶來優(yōu)異的性能。

摻雜方式的分析

首先選擇納米銀粒子作為摻雜粒子。圖6展示了納米銀粒子摻雜濃度遞減、納米銀粒子摻雜濃度遞增和未摻雜三種情況下復(fù)合介質(zhì)的反射率、透射率和吸收率曲線。如圖6(a)所示，遞增摻雜對(duì)反射率的影響很小，僅在755 nm附近產(chǎn)生微小的波動(dòng)。但遞減摻雜的情況下，反射率產(chǎn)生很大的波動(dòng)，在710 nm處存在一個(gè)極小值0.05，在760 nm處存在極大值0.9。圖中同樣給出了摻雜濃度為5% 和0.25%下介質(zhì)復(fù)折射率的實(shí)部曲線，可以看出在430~1450 nm范圍內(nèi)，遞減摻雜方式下的反射率曲線和摻雜濃度為5%的摻雜層的等效折射率曲線類似，在680~830 nm范圍內(nèi)，遞增摻雜方式下的反射率曲線和摻雜濃度為0.25%的摻雜層的等效折射率曲線類似，表明反射率曲線的變化與復(fù)折射率實(shí)部的變化有關(guān)。反射發(fā)生在空氣和頂層以及相鄰層之間的界面上，而相鄰層因?yàn)檎凵渎氏嘟?，反射可以忽略。遞減摻雜的情況下，頂層介質(zhì)的摻雜濃度為5%，折射率實(shí)部相比于硅有較大的變化，所以反射率曲線也會(huì)隨著折射率實(shí)部的變化趨勢(shì)而發(fā)生較大的改變。相比而言，遞增摻雜的情況下頂層的摻雜濃度為0.25%，折射率實(shí)部相比于硅只存在很小的變化，所以反射率曲線只會(huì)在折射率實(shí)部發(fā)生變化的波段范圍產(chǎn)生微小的改變。另外，將復(fù)合介質(zhì)設(shè)計(jì)成摻雜濃度緩慢變化的原因，是為了避免較大的折射率梯度導(dǎo)致強(qiáng)烈的反射。

圖6 納米銀粒子摻雜材料的模擬吸收譜。(a)反射率；(b)透射率；(c)吸收率；(d)吸收提升效果

如圖6(b)所示，在納米銀粒子遞增摻雜方式下，復(fù)合介質(zhì)可以在640~1110 nm 波段范圍內(nèi)降低透射率；在遞減摻雜方式下，可以在660~1450 nm波段范圍內(nèi)降低透射率。另外，兩種摻雜方式均可實(shí)現(xiàn)720~800 nm波段范圍內(nèi)透射率幾乎為0。圖中同樣給出了摻雜濃度為5%和0.25%下介質(zhì)復(fù)折射率的虛部曲線，可以看出：摻雜濃度為5%的介質(zhì)折射率虛部的曲線相比于硅的變化范圍和透射率為0的范圍一致，并且兩種摻雜方式下透射率為0的范圍相同。這是因?yàn)檎凵渎实奶摬看斫橘|(zhì)對(duì)電磁波的吸收能力，摻雜導(dǎo)致介質(zhì)折射率的虛部曲線在720~800 nm波段范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，介質(zhì)該波段內(nèi)的吸收能力增強(qiáng)， 并且摻雜濃度越大導(dǎo)致折射率虛部曲線峰值越大，復(fù)合介質(zhì)的吸收能力越強(qiáng)。梯度摻雜的復(fù)合介質(zhì)吸收能力的增強(qiáng)程度由最大摻雜濃度決定，兩種摻雜方式的最大摻雜濃度都為5%，所以，兩種摻雜方式下復(fù)合介質(zhì)吸收能力的增強(qiáng)程度一樣，都可以在720~800 nm波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0透射。而540~670 nm和840~1450 nm波段范圍內(nèi)兩種摻雜方式下透射率的區(qū)別，主要是由該波段內(nèi)反射率的差異造成的。

根據(jù)前面得到的反射率和透射率曲線，可以通過關(guān)系A(chǔ) = 1-R-T得到復(fù)合材料的吸收率曲線，如圖6(c)所示。按照如下公式10log??(A?=A?)（其中A?、A?分別代表未摻雜介質(zhì)吸收率和摻雜介質(zhì)吸收率）計(jì)算兩種摻雜方式對(duì)吸收率的提升效果，計(jì)算結(jié)果如圖6(d)所示。相比之下，遞增摻雜的吸收提升效果更好，峰值為8.4 dB，而遞減摻雜在750 nm處存在一個(gè)極小值0 dB。

摻雜金屬的對(duì)比

選擇吸收效果較優(yōu)的遞增摻雜方式（下文提到的摻雜均為遞增摻雜），對(duì)比不同納米金屬粒子摻雜對(duì)介質(zhì)反射率、透射率和吸收率的影響，如圖7所示。從圖7(a)可以看出，兩種情況下的反射率差別不大，只是發(fā)生波動(dòng)的范圍不同，納米銀粒子摻雜下介質(zhì)發(fā)生波動(dòng)的范圍在755 nm附近，金在820 nm附近，納米金粒子摻雜下的介質(zhì)反射率曲線發(fā)生波動(dòng)的波長(zhǎng)略大于銀。由圖7(b)可以看出，納米銀粒子摻雜可以在636~1120 nm范圍內(nèi)降低透射率，納米金粒子摻雜可以在610~1450 nm范圍內(nèi)降低透射率，具有更寬的減透波段范圍。

圖7 不同納米金屬粒子摻雜材料的模擬吸收譜。(a)反射率；(b)透射率；(c)吸收率；(d)吸收提升效果

結(jié)論

文中基于等效介質(zhì)理論，設(shè)計(jì)了一種納米金屬粒子梯度摻雜的復(fù)合材料，通過時(shí)域有限差分方法對(duì)復(fù)合材料的電磁效果進(jìn)行仿真模擬，得到了復(fù)合材料在可見光和近紅外波段的反射率、透射率和吸收率曲線。通過改變摻雜方式與金屬材料的選擇，總結(jié)出不同摻雜方式和納米金屬粒子對(duì)介質(zhì)電磁特性的影響。其中效果最優(yōu)的是納米金粒子遞增摻雜，可以有效提高硅基材料610~1450 nm波段的電磁波吸收效率，提升效果最高可達(dá)到10.7 dB。

審核編輯：彭菁