叠层亚波长减反结构及其制备方法技术

本发明专利技术揭示了一种叠层亚波长减反结构，包括在需要减反的高折射率材料自身表面通过蚀刻形成的亚波长图形，以及在前述亚波长图形表面经沉积生长的介质层，二者共同构成该叠层亚波长结构，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。本发明专利技术亚波长减反结构应用于高折射率表面的有源光电器件，能确实有效实现宽谱广角透射效果。较之于现有技术，本发明专利技术能有效钝化亚波长减反结构，减少非辐射复合中心，抑制非辐射复合损失，有效增加相应光电器件性能；并且，鉴于空气、介质材料和衬底材料折射率依次变化，故而采用叠层亚波长减反结构还能减弱制备难度，或在相同制备情况下获得更好的减反性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米结构，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。
技术介绍
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la和图lb所示)，两种介质和相应亚波长光栅结构的折射率分别为&、 n2、 ！13，光栅周期为A ，光栅矢量G = i ，入射光的入射角和光波在真空中的波矢量分别为e工和k，发生零级衍射的条件可表示如下 l&ksin 9 ,mGl > riik， i = 1，2，3and m=±l，±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基底材料(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。
技术实现思路
本专利技术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。 实现本专利技术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高折射率材料自身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。 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。 本专利技术另一个目的，将通过以下技术方案来实现 叠层亚波长减反结构的制备方法，其特征步骤包括 1、根据所要减反的入射光波长和角度范围计算设计叠层亚波长结构，包括所需减 反的高折射率材料上蚀刻的亚波长图形及沉积形成的介质层亚波长图形； n、在所需减反的高折射率材料上形成亚波长结构图形掩膜，并通过蚀刻在衬底上形成具有对应深宽比的亚波长图形； ni、去除掩膜并洗净该具有亚波长图形的高折射率衬底材料； IV、在衬底亚波长图形上顺势生长介质层，所述介质膜材料和形状结构按照步骤I 模拟计算得到。 进一步地，前述的叠层亚波长减反结构的制备方法，步骤II中所述衬底材料为折 射率n高于自然界介质材料的最高折射率，如Ti02的折射率2. 6 ;且步骤II中所述形成图 形掩膜的方法包括电子束曝光、相干光刻及自组装，且其中的蚀刻方法包括反应离子刻蚀、 感应耦合等离子体刻蚀、电子回旋共振刻蚀以及湿法刻蚀。 进一步地，前述的亚波长减反结构的制备方法，步骤IV中所述介质膜覆盖的方式 包括磁控溅射、脉冲激光沉积、热蒸发、电子束蒸发、原子层沉积，以及等离子体化学气相沉 积。 本专利技术亚波长减反结构及其制备方法的实质性特点和显著的优点主要体现在 采用叠层形式的亚波长减反结构代替原有的单层亚波长结构，一方面上面的介质层部分可以有效钝化基于蚀刻形成的亚波长减反结构，大幅减少非辐射复合中心，抑制非辐射复合损失，使得该亚波长减反结构可以真正成为有源光电器件的界面，有效增加相应光电器件性能；另一方面，鉴于空气、介质材料和衬底材料折射率依次变化，采用叠层亚波长减反结构还可以减弱制备难度，或者在相同制备情况下获得更好的减反性能。附图说明 图1为高折射率所需减反效果的材料上经蚀刻获得的叠层亚波长结构第一部分 示意图，其中图la为金字塔形结构，图lb为楔形结构；4 图2为本专利技术在光学界面材料的亚波长减反结构上进一步通过生长介质材料制 备的叠层亚波长减反结构，其中 图2为完整的叠层亚波长减反结构示意图；包括(2a)第一部分蚀刻形成金字塔 型，第二部分为沉积均匀的介质膜，依然形成金字塔型；(2b)第一部分为蚀刻形成楔形结 构，第二部分均匀沉积介质膜，依旧形成楔形结构；(2c)第一部分为蚀刻形成楔形结构，第 二部分均匀沉积介质膜，最终形成金字塔型的叠层亚波长结构；(2d)第一部分为蚀刻形成 的楔形结构，第二部分为沉积较厚的渐变折射率的介质膜，形成金字塔型的叠层亚波长减 反结构 图3为不同折射率介质对亚波长减反结构反射率性能的影响示意图； 图4a为介质折射率n = 1. 63的叠层亚波长结构在不同入射角度下的反射率变化示意图； 图4b为介质折射率n = 1的叠层亚波长结构在不同入射角度下的反射率变化示 意图。具体实施例方式为突破现有亚波长结构在提高器件整体性能方面的限制，本专利技术揭示了一种叠层 亚波长减反结构，该亚波长减反结构的形状根据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第一部分是在需要减反的高折射 率材料自身表面通过蚀刻形成亚波长图形；第二部分是在第一部分亚波长图形表面经再次 沉积生长的介质层，二者整合构成叠层亚波长减反结构。 该亚波长减反结构可以通过以下技术方案来制备 首先选择需要亚波长减反结构的衬底材料，该材料是指需要宽谱广角范围出入射 光的界面材料，特别是指折射率高于一般自然介质的界面材料(n > 2. 6)。 然后根据所要减反的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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高折射率材料自身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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞英，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]