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Strongly enhanced sensitivities of CMOS compatible plasmonic titanium nitride nanohole arrays for refractive index sensing under oblique incidence

Stark verbesserte Empfindlichkeit von CMOS-kompatiblen plasmonischen Titannitrid-Nanoloch-Arrays für die Brechungsindex-Messungen unter nicht-senkrechtem Lichteinfall

  • Titanium nitride (TiN) is a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible material with large potential for the fabrication of plasmonic structures suited for device integration. However, the comparatively large optical losses can be detrimental for application. This work reports a CMOS compatible TiN nanohole array (NHA) on top of a multilayer stack for potential use in integrated refractive index sensing with high sensitivities at wavelengths between 800 and 1500 nm. The stack, consisting of the TiN NHA on a silicon dioxide (SiO2) layer with Si as substrate (TiN NHA/SiO2/Si), is prepared using an industrial CMOS compatible process. The TiN NHA/SiO2/Si shows Fano resonances in reflectance spectra under oblique excitation, which are well reproduced by simulation using both finite difference time domain (FDTD) and rigorous coupled-wave analysis (RCWA) methods. The sensitivities derived from spectroscopic characterizations increase with the increasing incident angle and match well with the simulated sensitivities. OurTitanium nitride (TiN) is a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible material with large potential for the fabrication of plasmonic structures suited for device integration. However, the comparatively large optical losses can be detrimental for application. This work reports a CMOS compatible TiN nanohole array (NHA) on top of a multilayer stack for potential use in integrated refractive index sensing with high sensitivities at wavelengths between 800 and 1500 nm. The stack, consisting of the TiN NHA on a silicon dioxide (SiO2) layer with Si as substrate (TiN NHA/SiO2/Si), is prepared using an industrial CMOS compatible process. The TiN NHA/SiO2/Si shows Fano resonances in reflectance spectra under oblique excitation, which are well reproduced by simulation using both finite difference time domain (FDTD) and rigorous coupled-wave analysis (RCWA) methods. The sensitivities derived from spectroscopic characterizations increase with the increasing incident angle and match well with the simulated sensitivities. Our systematic simulation-based investigation of the sensitivity of the TiN NHA/SiO2/Si stack under varied conditions reveals that very large sensitivities up to 2305 nm per refractive index unit (nm RIU−1) are predicted when the refractive index of superstrate is similar to that of the SiO2 layer. We analyze in detail how the interplay between plasmonic and photonic resonances such as surface plasmon polaritons (SPPs), localized surface plasmon resonances (LSPRs), Rayleigh Anomalies (RAs), and photonic microcavity modes (Fabry-Pérot resonances) contributes to this result. This work not only reveals the tunability of TiN nanostructures for plasmonic applications but also paves the way to explore efficient devices for sensing in broad conditions.show moreshow less
  • Titannitrid (TiN) ist ein CMOS-kompatibles Material mit großem Potenzial für die Herstellung plasmonischer Strukturen, die sich für die Bauelementintegration eignen. Die vergleichsweise großen optischen Verluste können sich jedoch nachteilig auf die Anwendung auswirken. In dieser Arbeit wird ein CMOS-kompatibles TiN-Nanoloch-Array (NHA) auf einem Mehrschichtstapel vorgestellt, das für die integrierte Brechungsindexmessung mit hoher Empfindlichkeit bei Wellenlängen zwischen 800 und 1500 nm eingesetzt werden kann. Der Stapel, bestehend aus dem TiN NHA auf einer Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht mit Si als Substrat (TiN NHA/SiO2/Si), wurde in einem industriellen CMOS-kompatiblen Prozess hergestellt. Das TiN NHA/SiO2/Si zeigt Fano-Resonanzen in den Reflexionsspektren bei schrägem Einfallswinkel, die durch Simulationen sowohl mit Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethoden (FDTD) als auch Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) gut reproduziert werden. Die aus den spektroskopischen Charakterisierungen abgeleiteten Empfindlichkeiten nehmen mitTitannitrid (TiN) ist ein CMOS-kompatibles Material mit großem Potenzial für die Herstellung plasmonischer Strukturen, die sich für die Bauelementintegration eignen. Die vergleichsweise großen optischen Verluste können sich jedoch nachteilig auf die Anwendung auswirken. In dieser Arbeit wird ein CMOS-kompatibles TiN-Nanoloch-Array (NHA) auf einem Mehrschichtstapel vorgestellt, das für die integrierte Brechungsindexmessung mit hoher Empfindlichkeit bei Wellenlängen zwischen 800 und 1500 nm eingesetzt werden kann. Der Stapel, bestehend aus dem TiN NHA auf einer Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht mit Si als Substrat (TiN NHA/SiO2/Si), wurde in einem industriellen CMOS-kompatiblen Prozess hergestellt. Das TiN NHA/SiO2/Si zeigt Fano-Resonanzen in den Reflexionsspektren bei schrägem Einfallswinkel, die durch Simulationen sowohl mit Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethoden (FDTD) als auch Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) gut reproduziert werden. Die aus den spektroskopischen Charakterisierungen abgeleiteten Empfindlichkeiten nehmen mit zunehmendem Einfallswinkel zu und stimmen gut mit den simulierten Empfindlichkeiten überein. Unsere systematische simulationsbasierte Untersuchung der Empfindlichkeit des TiN NHA/SiO2/Si-Stapels unter verschiedenen Bedingungen zeigt, dass sehr große Empfindlichkeiten bis zu 2305 nm RIU-1 vorhergesagt werden, wenn der Brechungsindex des Dielektrikums oberhalb des NHAs ähnlich dem der SiO2-Schicht ist. Wir analysieren im Detail, wie das Zusammenspiel zwischen plasmonischen und photonischen Resonanzen wie Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs), lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPRs), Rayleigh-Anomalien (RAs) und photonischen Mikrokavitätsmoden (Fabry-Pérot-Resonanzen) zu diesem Ergebnis beiträgt. Diese Arbeit zeigt nicht nur die Abstimmbarkeit von TiN-Nanostrukturen für plasmonische Anwendungen, sondern ebnet auch den Weg für die Erforschung effizienter Geräte für die Erkennung unter verschiedensten Bedingungen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Weijia HanORCiD, Sebastian Reiter, Jon SchlipfORCiD, Christian Mai, Davide SpiritoORCiD, Josmy Jose, Christian WengerORCiD, Inga A. FischerORCiD
DOI:https://doi.org/10.1364/OE.481993
Document Type:Scientific article
Language:English
Year of Completion:2023
Release Date:2023/08/17
Tag:Plasmonik
Plasmonics; TiN
GND Keyword:Plasmonik; Photonik; Titannitrid; Plasmonics; Photonics
Fundername (not EU):Bundesministerium für Bildung und Forschung / 16ES1128K, 16ME0420K
Fundername (not EU):Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / Open-Access-Publikationskosten (2023 -2025) / 512881332
Source:Erstveröffentlichung: Han, Weijia; Reiter, Sebastian; Schlipf, Jon; Mai, Christian; Spirito, Davide; Jose, Josmy; Wenger, Christian; Fischer, Inga A.: Strongly enhanced sensitivities of CMOS compatible plasmonic titanium nitride nanohole arrays for refractive index sensing under oblique incidence. - Optics Express, 2023, 31(11). - https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-11-17389&id=530513
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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