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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. 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.
Um die technischen Limitierungen bezüglich der Geschwindigkeit und Verlustleistung aktueller Mikroprozessoren zu überwinden, sind neue Technologien notwendig. Eine Möglichkeit ist der Austausch klassischer metallischer Verbindungsleiter durch optische Übertragungswege. Als monolithisch integrierbare Lichtquellen kommen Germanium-basierte Leuchtdioden oder Laser auf Silizium-Substrat in Frage. Dafür ist eine intensive direkte Lumineszenz der Ge-Schicht nötig. Aus diesem Grund wurde der Einfluss von Donatorkonzentration, Verspannung, Quanten-Confinement und Versetzungsdichte auf die Lumineszenzintensität von Ge-Strukturen mittels Photo- und Elektrolumineszenz-Spektroskopie (PL bzw. EL) untersucht. Eine Antimon-Konzentration von 3e19/cm³ erhöhte die Intensität um das Vierfache im Vergleich zu einer intrinsischen Ge-Schicht. Eine zusätzliche Zugverspannung durch ein virtuelles Substrat aus GeSn erzielte nur eine geringfügige Intensitätssteigerung. Eine GeSn/Ge Multi-Quantum-Well (MQW) Struktur steigerte die Lumineszenz um den Faktor 16. Jedoch wurde durch transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen der Strukturen eine hohe Dichte von Durchstoßversetzungen (threading dislocations) im Bereich von 1e9/cm² gefunden. Diese bewirken eine Reduzierung der Lumineszenzintensität um zwei Größenordnungen, wie PL-Messungen an pseudomorph gewachsenen Ge/Si-MQW-Schichten zeigen. Eine Analyse der Strom-Spannungs-Kurven ergab einen weitaus weniger schädlichen Einfluss von Durchstoßversetzungen im Germanium als dies für Silizium der Fall ist. Im Hinblick auf eine Steigerung der direkten Ge-Lumineszenz sollten dotierte MQW-Strukturen und eine Reduzierung der Versetzungsdichte Anwendung finden.