鄭 華， 樊 華， 王子儀， 魏彥鋒， 張榮君

(1. 復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 上海超精密光學(xué)制造工程技術(shù)研究中心, 上海 200433;2. 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083)

·儀器設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)·

碲鎘汞紅外探測(cè)器增透結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭 華1， 樊 華2， 王子儀1， 魏彥鋒2， 張榮君1

(1. 復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 上海超精密光學(xué)制造工程技術(shù)研究中心, 上海 200433;2. 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083)

針對(duì)工作在涵蓋甚長(zhǎng)波段的碲鎘汞紅外探測(cè)器，設(shè)計(jì)較薄的光學(xué)膜層或光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反射率低于10%的減反效果，分為減反膜系和類光子晶體兩種設(shè)計(jì)?；诠鈱W(xué)薄膜理論設(shè)計(jì)并分別用兩種算法優(yōu)化得到了3層和4層ZnS/YbF3增透膜。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)的減反膜在8～16 μm的寬光譜波段范圍內(nèi)能大幅度減少紅外探測(cè)器表面的反射，平均反射率低于5%，并且在0°～60°入射角范圍內(nèi)都具有明顯的減反效果。另外，通過(guò)類光子晶體的周期性納米柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到了在14～16 μm波段平均反射率低于5%的設(shè)計(jì)方案。兩種方案提供了不同思路的甚長(zhǎng)波減反設(shè)計(jì)， 減反膜系相對(duì)簡(jiǎn)單廉價(jià)，易于大規(guī)模生產(chǎn)；類光子晶體設(shè)計(jì)，生產(chǎn)技術(shù)要求較高，但性質(zhì)更加穩(wěn)定可靠。

甚長(zhǎng)波； 減反膜； 類光子晶體； 反射率

0 引 言

在紅外探測(cè)方面，如何提高碲鎘汞甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器上光子的吸收效率是目前紅外探測(cè)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)[1-2]。對(duì)于甚長(zhǎng)波碲鎘汞紅外探測(cè)器，長(zhǎng)波光子的光吸收系數(shù)較低，為了提高吸收效率，加厚吸收層或者減少反射光是兩種有效的手段。但是，吸收層厚度有一定的限制，太厚使得部分光生少子無(wú)法擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)，從而降低探測(cè)器的量子效率。因此，減少反射光是提高吸收效率的重要途徑。

光學(xué)減反膜是最常用的減反手段[3-5]。單層抗減反膜系技術(shù)相對(duì)比較成熟，國(guó)內(nèi)在14 μm以下的紅外減反射研究多采用單層硫化鋅(ZnS)減反膜。但是對(duì)于甚長(zhǎng)波探測(cè)器，這種工藝并不適用，隨著截止波長(zhǎng)的增加，需要生長(zhǎng)很厚的ZnS單層膜，膜的均勻性、牢固度都會(huì)存在問(wèn)題，因此，用多層膜系來(lái)替代單層膜是目前迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題。盡管多層薄膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套較為完整的理論體系，但介紹在紅外甚長(zhǎng)波段以碲鎘汞為基底的多層薄膜系統(tǒng)的文獻(xiàn)比較少。

經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，光子晶體被認(rèn)為也是一種非常有效的減反結(jié)構(gòu)[6-9]。光子晶體具有周期性排列的微觀結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光的有效控制。例如，通過(guò)刻蝕得到的周期性陣列結(jié)構(gòu)能夠在一定的波段有效降低反射率[9]。

本文以碲鎘汞甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器為基底進(jìn)行了多層膜理論設(shè)計(jì)和類光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并模擬驗(yàn)證了減反膜和類光子晶體結(jié)構(gòu)的減反效果，模擬實(shí)現(xiàn)了寬波段的減反效果。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 減反膜

(1) 材料選擇。在紅外波段， ZnS與一些氟化物在紅外波段透明無(wú)吸收，可利用高折射率的ZnS與低折射率的氟化物相組合形成多層減反膜系，提高對(duì)入射光的吸收效率[5,10-12]。綜合考慮各種氟化物的物理化學(xué)性質(zhì)，YF3和YbF3是兩種較為合適的候選材料[11,13]，本文采用了ZnS/YbF3膜系。

(2) 減反膜層結(jié)構(gòu)。圖1為碲鎘汞紅外探測(cè)器上的減反膜設(shè)計(jì)模型，最下面一層為碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測(cè)器的PN結(jié)，中間為300 μm的碲化鎘(CdTe)襯底層，最外層即為設(shè)計(jì)的硫化鋅(ZnS)、氟化鐿(YbF3)減反膜層。

圖1 碲鎘汞紅外探測(cè)器上的減反膜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型

(3) 設(shè)計(jì)目標(biāo)。考慮到成本和工藝實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，有如下設(shè)計(jì)目標(biāo)：①層數(shù)要少，便于實(shí)現(xiàn)；②每層厚度不能太大(>10 μm級(jí))，也不能太小(<1 nm級(jí))；③總厚度不能太大(>10 μm級(jí))；④盡可能寬波段8～16 μm的低反射率。

(4) 薄膜設(shè)計(jì)理論。本文采用等效界面法和薄膜特征矩陣計(jì)算多層膜的反射率[14]：

(1)

(2)

其中：ηj為第j層的光學(xué)導(dǎo)納；δj為第j層的相位差。

按照上述矩陣算法，可以得到各種不同設(shè)計(jì)的在各個(gè)波段反射率的模擬計(jì)算結(jié)果。

(5) 優(yōu)化算法。為了更好地進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算并優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，采用兩種優(yōu)化算法：① 全局修正的最小二乘法。該算法的原理為通過(guò)改變膜層厚度，計(jì)算與目標(biāo)值的均方根誤差(RMSE)，來(lái)選擇最小RMSE的結(jié)果。該算法的特點(diǎn)是只優(yōu)化膜層厚度，不改變膜層數(shù)。② 針?lè)▋?yōu)化算法[15-16]。對(duì)任意給定的膜系計(jì)算，算出最佳插入位置，然后在這一位置插入極薄的膜層，使得評(píng)價(jià)函數(shù)大幅度降低。反復(fù)循環(huán)這一過(guò)程，可使膜系層數(shù)不斷增多，從而獲得評(píng)價(jià)函數(shù)不斷降低的膜系結(jié)構(gòu)，同時(shí)整合去除極薄的膜層，而最終得到令人滿意的結(jié)果。該算法的特點(diǎn)是既優(yōu)化膜層厚度，又改變膜層數(shù)。

1.2 類光子晶體

通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，納米柱、納米錐等納米周期性陣列結(jié)構(gòu)能夠提供很好的減反效果。本文在碲鎘汞基底上設(shè)計(jì)了納米柱結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)減反目標(biāo)[1, 7]。

如圖2所示，設(shè)定初始各項(xiàng)特征參數(shù)，設(shè)計(jì)的納米柱高H， 直徑D，陣列周期P。利用傳輸矩陣法(TMM)，模擬改變各個(gè)特征參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)陣列的反射率，選取最優(yōu)值。

圖2 納米柱陣列結(jié)構(gòu)示意圖(μm)

2 紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)

2.1 減反膜設(shè)計(jì)

采用全局修正的最小二乘法對(duì)薄膜厚度進(jìn)行計(jì)算，采用LHL初始模型(L代表低折射率材料YbF3，H代表高折射率材料ZnS)，得到3層減反膜結(jié)構(gòu)：378L/673H/2 000L (nm)共計(jì)3 051 nm，，模擬計(jì)算其在8～16 μm波段范圍內(nèi)零入射角平均反射率為4.09%。

利用針?lè)ㄋ惴?，采用上述擬合結(jié)果為初始設(shè)計(jì)，改變薄膜厚度和層數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出的膜系結(jié)構(gòu)，得到最終的4層結(jié)構(gòu)：837H/93L/340H/2 047L(nm)共計(jì)3 317 nm。模擬計(jì)算其在8～16 μm波段范圍內(nèi)零入射角的平均反射率為3.58%。

如圖3所示，設(shè)計(jì)的減反膜系有明顯的減反效果，反射率從基底(碲鎘汞+碲化鎘)的22%下降至3.6%和4.1%，并且厚度較為合適，僅約為3 μm，膜層數(shù)少(3或4層)，工藝容易實(shí)現(xiàn)。

圖3 基底與加上兩種增透膜設(shè)計(jì)的模擬反射譜

另外，在模擬計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，加上設(shè)計(jì)的增透膜后，碲鎘汞探測(cè)器在0°～60°P光和S光入射的模擬計(jì)算反射率也非常低，如圖4所示，加上增透膜后的探測(cè)器具有廣角度的低反射率：60°入射的P光平均反射率僅為5%左右，S光為10%左右。

圖4 加上四層增透膜后的探測(cè)器在0°～60°P光、S光入射的模擬反射譜

另外，可以發(fā)現(xiàn)在40°～60°入射的P、S光反射率變化的規(guī)律：即0°～40°，隨著入射角度的增大，P光反射率降低，S光反射率上升；在50°入射角時(shí)，相對(duì)之前角度P光反射率在13 μm以后明顯上升，S光反射率全波段明顯下降；60°時(shí)P光、S光的反射率恢復(fù)之前規(guī)律，P光反射率降低，S光反射率上升。這個(gè)P、S偏振光的反射率變化現(xiàn)象可能是由多層膜系的布魯斯特現(xiàn)象導(dǎo)致的綜合結(jié)果。

目前，國(guó)內(nèi)外在碲鎘汞紅外探測(cè)器表面生長(zhǎng)YbF3(或YF3)和ZnS的多層減反膜的相關(guān)研究報(bào)道比較少，單獨(dú)生長(zhǎng)YbF3(或YF3)和ZnS的多層減反膜也極少，相關(guān)報(bào)道的多層膜效果為在8～12 μm平均透射率87.9%[13]，在波段范圍、減反效果、適用基底等方面本文所設(shè)計(jì)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道。也有文獻(xiàn)設(shè)計(jì)多層減反膜達(dá)到接近本設(shè)計(jì)的效果[5, 12]，但其層數(shù)很多，厚度較大，工藝復(fù)雜度更大，可操作性不及本設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.2 類光子晶體設(shè)計(jì)

通過(guò)TMM軟件模擬計(jì)算，求得一組合適的納米柱陣列參數(shù)：高3 μm， 直徑6 μm，周期為9 μm。如圖5所示，類光子晶體設(shè)計(jì)能夠達(dá)到與多層膜結(jié)構(gòu)類似效果，特別是在14～16 μm波段平均反射率低于5%。相比減反膜設(shè)計(jì)結(jié)果在16 μm附近減反效果更加明顯。多層減反膜可能存在應(yīng)力不均勻，黏附力不強(qiáng)等實(shí)際問(wèn)題，而類光子晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)相對(duì)更加穩(wěn)定可靠，然而缺點(diǎn)是加工工藝較為復(fù)雜，光刻成本較高，大規(guī)模生產(chǎn)較為困難；以及類光子晶體微結(jié)構(gòu)與探測(cè)器光敏元的對(duì)準(zhǔn)仍存在一定的困難。但從目前已有的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[1]來(lái)看，類光子晶體結(jié)構(gòu)仍將成為一種非常有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)計(jì)。

圖5 類光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與減反膜設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算，同時(shí)兼顧到工藝上的可行性，最后設(shè)計(jì)了兩種在遠(yuǎn)紅外及甚長(zhǎng)波段(8～16 μm)平均反射率低于5%的3層(3.6%)和4層(4.1%)總厚度3 μm左右的碲鎘汞紅外探測(cè)器減反膜系，并具有廣角度(0°～60°入射角)減反、增透的效果。另外設(shè)計(jì)了類光子晶體納米柱陣列減反結(jié)構(gòu)，在14～16 μm波段平均反射率低于5%，相對(duì)于減反膜在16 μm附近有更好的減反效果。

[1] Rogalski A, Martyniuk P, Kopytko M. Challenges of small-pixel infrared detectors: a review[J]. Reports on Progress in Physics, 2016, 79(4):046501.

[2] 崔寶雙, 魏彥鋒, 孫權(quán)志,等. HgCdTe薄膜材料組分分布對(duì)器件響應(yīng)光譜的影響[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2013, 32(3):225-230.

[3] 張榮君,鄭玉祥,陳良堯. 光纖通信WDM系統(tǒng)用帶通濾波片[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(3):11-13.

[4] 張榮君,諶達(dá)宇,鄭玉祥,等. 光學(xué)濾波片薄膜鍍制工藝中的監(jiān)控技術(shù)模擬分析[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào),2003(1):56-58.

[5] Hawkins G J, Hunneman R, Sherwood R,etal. Infrared filters and coatings for the high resolution dynamics limb sounder (6-18 μm) [J]. Applied Optics, 2000, 39(28): 5221-5230.

[6] Brückner J B, Le Rouzo J, Escoubas L,etal. Flat-top and patterned-topped cone gratings for visible and mid-infrared antireflective properties [J]. Optics Express, 2013, 21(13): 16043-16055.

[7] Wang Z Y, Zhang R J, Wang S Y,etal. Broadband optical absorption by tunable Mie resonances in silicon nanocone arrays [J]. Scientific Reports, 2015(5):7810-7810.

[8] 馬 季, 吳向堯, 劉曉靜,等. 光子晶體缺陷層吸收特性的研究[J]. 中國(guó)激光, 2014(3):144-148.

[9] 陳 辰,鐘金祥,洪榮墩. 激光干涉光刻法制備二氧化硅光子晶體抗反射膜[J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2014(9):121-123.

[10] Han J, Azad A K, Zhang W. Far-infrared characteristics of bulk and nanostructured wide-bandgap semiconductors [J]. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2007, 2(3): 222-233.

[11] Su W, Li B, Liu D,etal. The determination of infrared optical constants of rare earth fluorides by classical Lorentz oscillator model [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, 40(11): 3343.

[12] Lemarquis F, Marchand G, Amra C. Design and Manufacture of Low-Absorption ZnS-YF3Antireflection Coatings in the 3.5-16-μm Spectral Range [J]. Applied Optics, 1998, 37(19): 4239-4244.

[13] Liu W, Tu H, Gao M,etal. High performance DLC/BP and ZnS/YbF3double-layer protective and antireflective coatings [J]. Journal of Alloys & Compounds, 2013, 581(24):526-529.

[14] 唐晉發(fā), 顧培夫, 劉 旭, 等. 現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社, 2007：37-48.

[15] Tikhonravov A V, Trubetskov M K, DeBell G W. Application of the needle optimization technique to the design of optical coatings [J]. Applied Optics, 1996, 35(28): 5493-5508.

[16] Sullivan Brian T, Dobrowolski J A. Implementation of a numerical needle method for thin-film design[J]. Applied Optics, 1996, 35(28): 5484-5492.

·名人名言·

我們應(yīng)該不虛度一生，應(yīng)該能夠說(shuō)，“我已經(jīng)做了我能做的事”。

——居里夫人

Design of Antireflective Structures on HgCdTe Substrate at Very Long Wavelength Infrared

ZHENGHua1,FANHua2,WANGZi-yi1,WEIYan-feng2,ZHANGRong-jun1

(1. School of Information Science and Engineering, Shanghai Engineering Research Center of Ultra-Precision Optical Manufacturing, Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)

To reduce reflection of the HgCdTe detector at very long wavelength (<10%), the design of the antireflective films and the antireflective array was reported. Based on thin film theory and two kinds of optimization algorithms, two kinds of results were calculated, they were three layers or four layers ZnS/YbF3 thin films. The antireflective films we designed reduce the reflection (<5%) in a wide wavelength (8～16 μm) and large incident angles (0～60°). What's more, we also designed nanorod array as another method, it also has a low reflection (<5%) at very long wavelength (14～16 μm). For two methods, the thin film method is cheap and easy to put into production; the nanorod array method gets better stability but requires higher techniques.

very long wavelength; antireflective structures; photonic quasi-crystal; reflection

2016-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11174058)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX02109-004)；復(fù)旦大學(xué)精品課程建設(shè)項(xiàng)目、望道項(xiàng)目；中國(guó)科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助

鄭 華(1992-)，男，浙江紹興人，碩士生，主要從事光電信息功能材料的光學(xué)性質(zhì)研究。

E-mail: 15210720006@fudan.edu.cn

O-436.1

A

1006-7167(2017)01-0046-03

張榮君 (1972-)，男，河南羅山人，博士，教授，主要從事信息功能材料的光學(xué)性質(zhì)、光學(xué)儀器系統(tǒng)與光子學(xué)器件等方面研究與教學(xué)。Tel.: 021-65643559; E-mail: rjzhang@ fudan.edu.cn