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可以實現大規模批量生產，具有低成本、高集成度、高可靠性的優勢。其中，硅基半導體探測器是目前應用最為廣泛的可見光波段探測設備，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，硅基探測器在近紅外波段的應用受到挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，近期，南京航空航天大學航天學院與安徽北方微電子研究院組成的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“納米金屬粒子梯度摻雜的硅基近紅外吸收增強結構”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。

本文根據納米金屬粒子發生局域表面等離子共振時產生的近場增強效應，提出了設計了一種硅基的、納米金屬粒子梯度摻雜的近紅外波段吸收增強薄膜。通過等效介質理論計算了不同濃度下摻雜層的介電常數，模擬計算了薄膜在不同波長下的吸收率。結果表明：該設計可以有效提高硅的近紅外波段吸收率，提升效果最高可達到10.7 dB。所提出的結構可以有效增強硅基材料在近紅外波段的吸收效率，研究結果為硅基半導體探測器在近紅外波段的應用提供了重要參考。

復合介質的研究方法

在按照需求設計具有特定功能的復合介質時，常使用等效介質理論來快速計算復合介質的等效電磁參數，這種方式大大提高了整個設計流程的效率。等效介質理論的思想是，當電介質中的摻雜物大小遠小于入射波的波長，該復合材料就可以從宏觀的角度分析其電磁特性，此時可以用準靜態來近似。

當電介質中摻雜物的含量較低，微粒間的相互作用和更高的多級作用可以忽略， 此時通常采用Maxwell-Garnett理論（下面簡稱M-G）來計算復合介質的等效電磁參數。

根據銀和金的折射率實驗數據，可以擬合出它們的折射率曲線，如圖1所示（圖中點表示實驗數據，線表示擬合結果）。然后，得到兩種金屬的介電常數。接下來可以得到Si摻雜Ag復合介質在可見光和近紅外波段的等效介電常數。最后，將結果轉換為復折射率，并與介質硅的復折射率進行對比，如圖2所示。從圖中可以看出，兩者的主要區別為760 nm附近的波段范圍，說明摻雜物對于復合介質電磁性能的影響主要發生在這個波段。摻雜對于復折射率實部的影響是，會在750 nm附近出現值劇烈的折射率變化，產生一個極大和一個極小值。摻雜對于復折射率虛部的影響是，會在760 nm附近產生一個峰值。

圖1 金屬的復折射率與擬合曲線。(a)銀的折射率；(b)金的折射率

圖2 Si摻雜Ag復合材料和硅的復折射率

梯度摻雜材料的結構設計

設計一種總厚度為1000 nm復合硅層，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行摻雜。結構示意圖如圖3所示（其中，(a)為濃度遞增摻雜結構；(b)為濃度遞減摻雜結構），示意圖分別給出了頂部、中部和底部摻雜層，對其他摻雜層進行了適當的省略。

圖3 梯度摻雜材料的結構示意圖

圖4為不同摻雜濃度下復合介質的等效折射率?？梢钥闯觯c未摻雜的介質硅相比，摻雜濃度越高，760 nm波長附近的介質等效折射率變化越明顯。

圖4 不同摻雜濃度的介質的等效折射率。(a)復折射率實部；(b)復折射率虛部

使用時域有限差分法（FDTD）來模擬計算復合介質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。仿真設置如圖5所示。為了減少仿真時間，仿真區域設置為2D，如方框所示。上下的邊界設置為PML邊界，左右邊界設置為Periodic邊界，為了避免產生摻雜層厚度導致的法布里-珀羅諧振，將最后一層摻雜層延伸到仿真區域底部的邊界以外。另外三個平行平面從上到下分別代表反射監視器、光源、透射監視器。其中光源選擇垂直入射的平面波。

圖5 仿真模型示意圖

結果分析

硅基梯度摻雜結構的設計可以從兩個方面進行考慮，一是對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。通過對仿真結果進行分析，從而得到最優解。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，因為較大的濃度梯度會引起反射率的突變。在超材料的設計中，常選用金和銀兩種貴金屬，將它們應用在可見光和紅外波段往往會帶來優異的性能。

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合介質的反射率、透射率和吸收率曲線。如圖6(a)所示，遞增摻雜對反射率的影響很小，僅在755 nm附近產生微小的波動。但遞減摻雜的情況下，反射率產生很大的波動，在710 nm處存在一個極小值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%下介質復折射率的實部曲線，可以看出在430~1450 nm范圍內，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，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折射率實部的變化有關。反射發生在空氣和頂層以及相鄰層之間的界面上，而相鄰層因為折射率相近，反射可以忽略。遞減摻雜的情況下，頂層介質的摻雜濃度為5%，折射率實部相比于硅有較大的變化，所以反射率曲線也會隨著折射率實部的變化趨勢而發生較大的改變。相比而言，遞增摻雜的情況下頂層的摻雜濃度為0.25%，折射率實部相比于硅只存在很小的變化，所以反射率曲線只會在折射率實部發生變化的波段范圍產生微小的改變。另外，將復合介質設計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致強烈的反射。

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，復合介質可以在640~1110 nm 波段范圍內降低透射率；在遞減摻雜方式下，可以在660~1450 nm波段范圍內降低透射率。另外，兩種摻雜方式均可實現720~800 nm波段范圍內透射率幾乎為0。圖中同樣給出了摻雜濃度為5%和0.25%下介質復折射率的虛部曲線，可以看出：摻雜濃度為5%的介質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。這是因為折射率的虛部代表介質對電磁波的吸收能力，摻雜導致介質折射率的虛部曲線在720~800 nm波段范圍內出現峰值，介質該波段內的吸收能力增強， 并且摻雜濃度越大導致折射率虛部曲線峰值越大，復合介質的吸收能力越強。梯度摻雜的復合介質吸收能力的增強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，兩種摻雜方式下復合介質吸收能力的增強程度一樣，都可以在720~800 nm波段范圍內實現0透射。而540~670 nm和840~1450 nm波段范圍內兩種摻雜方式下透射率的區別，主要是由該波段內反射率的差異造成的。

根據前面得到的反射率和透射率曲線，可以通過關系A = 1-R-T得到復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吸收率和摻雜介質吸收率）計算兩種摻雜方式對吸收率的提升效果，計算結果如圖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處存在一個極小值0 dB。

摻雜金屬的對比

選擇吸收效果較優的遞增摻雜方式（下文提到的摻雜均為遞增摻雜），對比不同納米金屬粒子摻雜對介質反射率、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，只是發生波動的范圍不同，納米銀粒子摻雜下介質發生波動的范圍在755 nm附近，金在820 nm附近，納米金粒子摻雜下的介質反射率曲線發生波動的波長略大于銀。由圖7(b)可以看出，納米銀粒子摻雜可以在636~1120 nm范圍內降低透射率，納米金粒子摻雜可以在610~1450 nm范圍內降低透射率，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

結論

文中基于等效介質理論，設計了一種納米金屬粒子梯度摻雜的復合材料，通過時域有限差分方法對復合材料的電磁效果進行仿真模擬，得到了復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，總結出不同摻雜方式和納米金屬粒子對介質電磁特性的影響。其中效果最優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，提升效果最高可達到10.7 dB。

審核編輯：彭菁