半導(dǎo)體超薄膜的光吸收特性研究.pdf

1、在薄膜光電和光催化應(yīng)用領(lǐng)域，人們一直存在兩難選擇，從增強(qiáng)光吸收的角度出發(fā)需要增加半導(dǎo)體薄膜厚度;但從光生載流子的有效傳輸和收集的角度，需要減小半導(dǎo)體薄膜厚度從而減少載流子的散射與復(fù)合，也就是說(shuō)半導(dǎo)體膜厚和光吸收之間存在矛盾，那么在不改變薄膜厚度的情況下提高光吸收率無(wú)疑是一個(gè)最佳選擇。
　　本課題基于傳統(tǒng)的非對(duì)稱法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)P)干涉結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)現(xiàn)大幅度提高光吸收率的三層薄膜結(jié)構(gòu)，即半導(dǎo)體超薄膜/無(wú)損

2、相位補(bǔ)償介質(zhì)層/金屬反射層。其中，半導(dǎo)體超薄膜在厚度遠(yuǎn)小于λ/4n時(shí)即可通過光的強(qiáng)干涉極大增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)超薄膜的強(qiáng)吸收;通過介質(zhì)層厚度的調(diào)制，超吸收波長(zhǎng)范圍也實(shí)現(xiàn)可調(diào)。
　　樣品結(jié)構(gòu)分兩個(gè)系列，一種是SiO2為無(wú)損介質(zhì)層的Ge/SiO2/Au，另一種是Al2O3為介質(zhì)層的Ge/ Al2O3/Al，通過對(duì)兩組樣品的理論模擬及從可見到近紅外波段不同偏振光下的吸收譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn):超薄膜由于滿足非對(duì)稱FP共振腔機(jī)制

3、可以存在增強(qiáng)吸收的效應(yīng)，而介質(zhì)層的存在能顯著提高超薄Ge膜本身的吸收強(qiáng)度，增強(qiáng)吸收波長(zhǎng)的可調(diào)制性;由于介質(zhì)層的作用是引入相位差，從而達(dá)到相消干涉條件，因而在超薄膜厚度一定的情況下，不同介質(zhì)層厚度對(duì)吸收的增益不同;金屬反射層材料的不同對(duì)吸收的增強(qiáng)效果也有差異，采用光波損耗更小的Al反射層比用Au作為反射層更能增加半導(dǎo)體超薄Ge膜的光吸收;樣品在p偏振光和s偏振光下的吸收增強(qiáng)具有良好的角度不敏感性。
　　超薄Ge膜和金屬背反射層采用磁

4、控濺射的方法制備，SiO2介質(zhì)層采用電子束蒸發(fā)制備，Al2O3則用原子層淀積的方法獲得。薄膜的厚度及表面形貌表征則采用了lift-off工藝配合原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡;薄膜光學(xué)參數(shù)提取和吸收譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量通過橢偏儀和n&k薄膜光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
　　我們所構(gòu)建的無(wú)損相位補(bǔ)償納米腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體超薄膜對(duì)光的顯著吸收增強(qiáng)以及光譜可調(diào)超吸收，我們不僅可以將其應(yīng)用于光電，能量收集/轉(zhuǎn)換和表面光催化領(lǐng)域，也可以用來(lái)開發(fā)新的薄膜有源器件