專利名稱：疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種適用于太陽能電池系統(tǒng)、光顯示面發(fā)射
器件等需要寬譜廣角進(jìn)出光的亞波長減反結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于微納光子學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
不同折射率物質(zhì)之間的界面反射率是影響接收光、發(fā)出光以及傳輸光器件和設(shè)備性能的重要參數(shù)，極低的界面反射率是光顯示、寬譜光源、太陽電池、透鏡等領(lǐng)域追求的重要指標(biāo)。通常，采用蒸鍍光學(xué)減反膜來降低光學(xué)界面反射。為了盡量在廣角寬譜范圍內(nèi)降低界面反射率，通常需設(shè)計蒸鍍多層的光學(xué)膜，而且光學(xué)膜材料不盡唯一。復(fù)雜的膜系結(jié)構(gòu)不僅使得鍍膜本身工藝要求提高，成功率降低；在使用過程中不可避免地也要經(jīng)受溫度、濕度變化甚至機(jī)械沖擊，由多層不同材料的光學(xué)膜蒸鍍的光學(xué)界面，由于不同材料之間的熱膨脹系數(shù)、濕度系數(shù)以及彈性模量的不同，不可避免地會造成膜層材料折射率、厚度的變化，甚至惡劣地導(dǎo)致部分光學(xué)膜脫落，任何一種變化，都會導(dǎo)致基于相干原理的光學(xué)膜透過率的下降甚至于徹底破壞，從而極大地影響相應(yīng)器件和設(shè)備的性能。 亞波長光柵結(jié)構(gòu)是周期小于入射光波長的表面浮雕光柵結(jié)構(gòu)(如圖la和圖lb所示)，兩種介質(zhì)和相應(yīng)亞波長光柵結(jié)構(gòu)的折射率分別為&、 n2、 ！13，光柵周期為A ，光柵矢量
G = i ，入射光的入射角和光波在真空中的波矢量分別為e工和k，發(fā)生零級衍射的條件可
表示如下 l&ksin 9 ,mGl > riik， i = 1，2，3and m=±l，±2，±3，......(1)， 由該式可知，特定波長的入射光發(fā)生零級衍射的條件不僅依賴于入射光的入射角，而且取決于材料的折射率和光柵的周期。當(dāng)光柵的周期足夠小時，光柵矢量值足夠大，使得上述不等式不再依賴于入射光的波矢和入射角的大小，也就是說，在寬光譜和大角度范圍內(nèi)都可以獲得零級衍射，即可獲得極高的增透效果，成為廣角寬譜范圍內(nèi)減小界面反射率的極有效方式。 但是在制作方面，真正利用亞波長結(jié)構(gòu)實現(xiàn)廣角寬譜范圍內(nèi)的減反效果還有限制。 一方面，如果直接采用界面材料蝕刻的辦法，按照亞波長零級衍射原理，無疑可以在廣角和寬譜范圍內(nèi)獲得極低的反射率，但是蝕刻后的表面會產(chǎn)生很多缺陷，特別是對于納米結(jié)構(gòu)，比表面積增加，表面缺陷所帶來的非輻射復(fù)合，這些非輻射復(fù)合中心的存在對于由此構(gòu)成的光電器件、特別是有源光電器件造成極大地?fù)p失，成為該種結(jié)構(gòu)能否真正作為光學(xué)界面、提高相應(yīng)器件性能的致命因素。另一種亞波長結(jié)構(gòu)是在原有材料表面生長漸變折射率的亞波長納米結(jié)構(gòu)，采用此種方法無疑不會造成表面的非輻射復(fù)合，帶來額外的光電損失。但是對于高折射率的基底材料(比如Si、 GaAs、 InP等半導(dǎo)體材料)，幾乎不可能找到折射率與其相匹配的介質(zhì)膜材料，因此，在高折射率材料和介質(zhì)材料之間的界面無疑依然存在較大的反射損耗，成為利用該種方法實現(xiàn)極低反射率的物理限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新型的亞波長減反結(jié)構(gòu)及其制備方法，以解決現(xiàn)有亞 波長結(jié)構(gòu)在提高器件整體性能方面的限制。在寬光譜和大角度范圍內(nèi)降低界面反射損耗的 同時，不增加表面的非輻射復(fù)合損耗，降低亞波長結(jié)構(gòu)的制備難度。
實現(xiàn)本發(fā)明第一個目的的技術(shù)解決方案是 疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖形根據(jù)所用材料的折射率分布和所要減反的入射
光波長和角度范圍計算得到，其特征在于所述疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)包括兩部分其中一
部分是在需要減反的高折射率材料自身表面通過蝕刻形成的亞波長圖形；另一部分是在前
述亞波長圖形表面經(jīng)沉積生長的介質(zhì)層，二者整合構(gòu)成疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)。 進(jìn)一步地，所述介質(zhì)層為均勻的單層介質(zhì)膜、多層介質(zhì)膜，或漸變折射率的介質(zhì)
膜，又或者漸變折射率的介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)層的材料根據(jù)所需減反的材料的折射率來確定。 進(jìn)一步地，所述亞波長圖形為可構(gòu)成折射率漸變的圖形。
本發(fā)明另一個目的，將通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征步驟包括 1、根據(jù)所要減反的入射光波長和角度范圍計算設(shè)計疊層亞波長結(jié)構(gòu)，包括所需減 反的高折射率材料上蝕刻的亞波長圖形及沉積形成的介質(zhì)層亞波長圖形； n、在所需減反的高折射率材料上形成亞波長結(jié)構(gòu)圖形掩膜，并通過蝕刻在襯底
上形成具有對應(yīng)深寬比的亞波長圖形； ni、去除掩膜并洗凈該具有亞波長圖形的高折射率襯底材料； IV、在襯底亞波長圖形上順勢生長介質(zhì)層，所述介質(zhì)膜材料和形狀結(jié)構(gòu)按照步驟I 模擬計算得到。 進(jìn)一步地，前述的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟II中所述襯底材料為折 射率n高于自然界介質(zhì)材料的最高折射率，如Ti02的折射率2. 6 ;且步驟II中所述形成圖 形掩膜的方法包括電子束曝光、相干光刻及自組裝，且其中的蝕刻方法包括反應(yīng)離子刻蝕、 感應(yīng)耦合等離子體刻蝕、電子回旋共振刻蝕以及濕法刻蝕。 進(jìn)一步地，前述的亞波長減反結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟IV中所述介質(zhì)膜覆蓋的方式 包括磁控濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、原子層沉積，以及等離子體化學(xué)氣相沉 積。 本發(fā)明亞波長減反結(jié)構(gòu)及其制備方法的實質(zhì)性特點和顯著的優(yōu)點主要體現(xiàn)在 采用疊層形式的亞波長減反結(jié)構(gòu)代替原有的單層亞波長結(jié)構(gòu)，一方面上面的介質(zhì)
層部分可以有效鈍化基于蝕刻形成的亞波長減反結(jié)構(gòu)，大幅減少非輻射復(fù)合中心，抑制非
輻射復(fù)合損失，使得該亞波長減反結(jié)構(gòu)可以真正成為有源光電器件的界面，有效增加相應(yīng)
光電器件性能；另一方面，鑒于空氣、介質(zhì)材料和襯底材料折射率依次變化，采用疊層亞波
長減反結(jié)構(gòu)還可以減弱制備難度，或者在相同制備情況下獲得更好的減反性能。


圖1為高折射率所需減反效果的材料上經(jīng)蝕刻獲得的疊層亞波長結(jié)構(gòu)第一部分 示意圖，其中圖la為金字塔形結(jié)構(gòu)，圖lb為楔形結(jié)構(gòu)；
4
圖2為本發(fā)明在光學(xué)界面材料的亞波長減反結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步通過生長介質(zhì)材料制 備的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)，其中 圖2為完整的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)示意圖；包括(2a)第一部分蝕刻形成金字塔 型，第二部分為沉積均勻的介質(zhì)膜，依然形成金字塔型；(2b)第一部分為蝕刻形成楔形結(jié) 構(gòu)，第二部分均勻沉積介質(zhì)膜，依舊形成楔形結(jié)構(gòu)；(2c)第一部分為蝕刻形成楔形結(jié)構(gòu)，第 二部分均勻沉積介質(zhì)膜，最終形成金字塔型的疊層亞波長結(jié)構(gòu)；(2d)第一部分為蝕刻形成 的楔形結(jié)構(gòu)，第二部分為沉積較厚的漸變折射率的介質(zhì)膜，形成金字塔型的疊層亞波長減 反結(jié)構(gòu) 圖3為不同折射率介質(zhì)對亞波長減反結(jié)構(gòu)反射率性能的影響示意圖； 圖4a為介質(zhì)折射率n = 1. 63的疊層亞波長結(jié)構(gòu)在不同入射角度下的反射率變化
示意圖； 圖4b為介質(zhì)折射率n = 1的疊層亞波長結(jié)構(gòu)在不同入射角度下的反射率變化示 意圖。
具體實施例方式
為突破現(xiàn)有亞波長結(jié)構(gòu)在提高器件整體性能方面的限制，本發(fā)明揭示了一種疊層 亞波長減反結(jié)構(gòu)，該亞波長減反結(jié)構(gòu)的形狀根據(jù)所要減反的入射光波長和角度范圍計算得 到，其特征在于所述疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)包括兩部分第一部分是在需要減反的高折射 率材料自身表面通過蝕刻形成亞波長圖形；第二部分是在第一部分亞波長圖形表面經(jīng)再次 沉積生長的介質(zhì)層，二者整合構(gòu)成疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)。
該亞波長減反結(jié)構(gòu)可以通過以下技術(shù)方案來制備 首先選擇需要亞波長減反結(jié)構(gòu)的襯底材料，該材料是指需要寬譜廣角范圍出入射 光的界面材料，特別是指折射率高于一般自然介質(zhì)的界面材料(n > 2. 6)。
然后根據(jù)所要減反的入射光波長和角度范圍計算設(shè)計相應(yīng)的亞波長結(jié)構(gòu)，包括襯 底上蝕刻的亞波長減反結(jié)構(gòu)及所要生長的亞波長減反介質(zhì)層； 繼而采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ谝r底材料上形成亞波長結(jié)構(gòu)圖形掩膜，并在該圖形掩膜 下，通過蝕刻方法在原有襯底上形成具有一定深寬比的亞波長結(jié)構(gòu)； 接著對完成蝕刻后表面具有亞波長結(jié)構(gòu)的襯底材料進(jìn)行再次刻蝕，以去除襯底上 的掩膜材料，并用水或有機(jī)溶劑清洗干凈襯底； 最后利用沉積或其它方式在該亞波長結(jié)構(gòu)的圖形襯底上制備相應(yīng)的亞波長結(jié)構(gòu) 介質(zhì)層，完成疊層結(jié)構(gòu)的亞波長減反結(jié)構(gòu)。
以上制備方法各步驟可選方案及需要注意之處包括 1、所選介質(zhì)膜的折射率介于襯底材料和空氣之間，圖3給出利用嚴(yán)格耦合波分析 方法模擬的，相同幾何結(jié)構(gòu)、但不同折射率介質(zhì)對疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)反射率性能的影響 示意圖?？梢姡瑢τ诟哒凵渎实墓鈱W(xué)界面材料，增加介質(zhì)層的折射率，可以有效的在寬光譜 范圍內(nèi)降低界面反射率。特別是對于色散關(guān)系陡峭的高折射率區(qū)，效果更加明顯。
2、在進(jìn)行亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還需要結(jié)合考慮高折射率材料、所要沉積的介質(zhì)膜 材料和空氣等綜合因素； 3、其中亞波長結(jié)構(gòu)掩膜的形成，可以通過電子束曝光、相干光刻或各種自組裝方式來實現(xiàn)； 4、其中所述的刻蝕制法，無論是在襯底上形成亞波長結(jié)構(gòu)，還是去除掩膜，根據(jù)掩 膜材料的不同，都可以采用濕法刻蝕或干法刻蝕這些常規(guī)的技術(shù)手段來實現(xiàn)，只要滿足在 高折射率材料上形成亞波長結(jié)構(gòu)后能完全徹底去除掩膜材料的同時不傷及亞波長結(jié)構(gòu)的 高折射率材料為準(zhǔn)； 5、關(guān)于所述的介質(zhì)層，根據(jù)設(shè)計需要可以是介質(zhì)膜，也可以是介質(zhì)納米柱或納米 管，只要能很好地鈍化襯底亞波長納米結(jié)構(gòu)，同時保證其折射率滿足亞波長設(shè)計過程中所 用的折射率即可。其制備方式根據(jù)實際需要可以是磁控濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)、電子 束蒸發(fā)、原子層沉積、等離子體化學(xué)氣相沉積等多種設(shè)備以及其他納米柱、納米管的生長制 備方式。 如圖2a至圖2b所示的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)，其中圖2a所示的疊層亞波長減反結(jié) 構(gòu)包括高折射率襯底材料經(jīng)蝕刻形成的金字塔形的亞波長減反結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)上均勻沉積 的介質(zhì)膜；圖2b所示的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)包括高折射率襯底材料經(jīng)蝕刻形成的楔形的 亞波長減反結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)上均勻沉積的介質(zhì)膜，依舊形成楔形的疊層亞波長結(jié)構(gòu)；圖2c所 示的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)包括高折射率襯底材料經(jīng)蝕刻形成的楔形的亞波長減反結(jié)構(gòu)和 該結(jié)構(gòu)上沉積較厚的介質(zhì)膜，最終形成金字塔形的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)；圖2d所示的疊層 亞波長減反結(jié)構(gòu)包括高折射率襯底材料經(jīng)蝕刻形成的楔形的亞波長減反結(jié)構(gòu)和沉積較厚 的漸變折射率的介質(zhì)膜，最終形成金字塔形的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu) 再如圖4a和圖4b所示的反射率變化曲線可見，對具有相同幾何結(jié)構(gòu)的亞波長結(jié)
構(gòu)而言，較高折射率的疊層亞波長結(jié)構(gòu)可在廣角和寬譜范圍內(nèi)獲得更低的反射率。對于圖
4a和4b，其亞波長減反結(jié)構(gòu)的幾何形狀都是六角密排的圓錐形，其中圓錐底直徑為100nm，
圓錐排列周期為200nm，圓錐高度為500nm，當(dāng)介質(zhì)層為空氣時，相當(dāng)于只是單層的亞波長
減反結(jié)構(gòu)；其在廣角和寬譜范圍內(nèi)的反射率曲線如圖4b所示；當(dāng)介質(zhì)層的折射率為n =
1.63，其在廣角和寬譜范圍內(nèi)的反射率曲線如圖4a所示?？梢钥闯?，在相同的制備條件下，
疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)確實能夠更有效地在廣角和寬譜范圍內(nèi)降低界面反射率。 本發(fā)明亞波長減反結(jié)構(gòu)及其制法的優(yōu)勢在于，一方面能有效鈍化亞波長減反結(jié)
構(gòu)，減少非輻射復(fù)合中心，抑制非輻射復(fù)合損失，有效增加相應(yīng)光電器件性能；另一方面鑒
于空氣、介質(zhì)材料和襯底材料折射率依次變化，故而采用疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)無疑將減弱
制備難度，或者在相同制備情況下獲得更好的減反性能。
權(quán)利要求
疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖形根據(jù)所用材料的折射率分布和所要減反的入射光波長和角度范圍計算得到，其特征在于所述疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)包括兩部分其中一部分是在需要減反的高折射率材料自身表面通過蝕刻形成的亞波長圖形；另一部分是在前述亞波長圖形表面經(jīng)沉積生長的介質(zhì)層，二者整合構(gòu)成疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介質(zhì)層為均勻的單 層介質(zhì)膜、多層介質(zhì)膜，或漸變折射率的介質(zhì)膜，又或介質(zhì)材料納米結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)層的材料 根據(jù)所需減反的材料的折射率來確定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)，其特征在于所述亞波長圖形為可構(gòu) 成折射率漸變的圖形。
4. 權(quán)利要求1所述疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征步驟包括 1、根據(jù)所要減反的入射光波長和角度范圍計算設(shè)計疊層亞波長結(jié)構(gòu)，包括所需減反的高折射率材料上蝕刻的亞波長圖形及沉積形成的介質(zhì)層亞波長圖形；n、在所需減反的高折射率材料上形成亞波長結(jié)構(gòu)圖形掩膜，并通過蝕刻在襯底上形成具有對應(yīng)深寬比的亞波長圖形；ni、去除掩膜并洗凈該具有亞波長圖形的高折射率襯底材料；IV、在襯底亞波長圖形上順勢生長介質(zhì)層，所述介質(zhì)膜材料和形狀結(jié)構(gòu)按照步驟I模 擬計算得到。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟II中所 述形成圖形掩膜的方法包括電子束曝光、相干光刻及自組裝，且其中的蝕刻方法包括反應(yīng) 離子刻蝕、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕、電子回旋共振刻蝕以及濕法刻蝕。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟IV中所 述介質(zhì)膜生長的方式包括磁控濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、原子層沉積，以及 等離子體化學(xué)氣相沉積和自組裝。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)，包括在需要減反的高折射率材料自身表面通過蝕刻形成的亞波長圖形，以及在前述亞波長圖形表面經(jīng)沉積生長的介質(zhì)層，二者共同構(gòu)成該疊層亞波長結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖形根據(jù)所用材料的折射率分布和所要減反的入射光波長和角度范圍計算得到。本發(fā)明亞波長減反結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高折射率表面的有源光電器件，能確實有效實現(xiàn)寬譜廣角透射效果。較之于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能有效鈍化亞波長減反結(jié)構(gòu)，減少非輻射復(fù)合中心，抑制非輻射復(fù)合損失，有效增加相應(yīng)光電器件性能；并且，鑒于空氣、介質(zhì)材料和襯底材料折射率依次變化，故而采用疊層亞波長減反結(jié)構(gòu)還能減弱制備難度，或在相同制備情況下獲得更好的減反性能。
文檔編號G02B1/11GK101726769SQ20091026490
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者張瑞英 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所