Silizium

Jun 05, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12311 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Erfassung im mittleren Infrarot-Spektralbereich ist für die Erkennung und Überwachung verschiedener Gase äußerst wünschenswert. Wir schlagen hiermit einen CMOS-kompatiblen Sensor auf Siliziumbasis vor, der im mittleren Infrarotbereich (3,5–10 μm) arbeitet. Das Siliziummaterial ist auf ein Niveau dotiert, das seine plasmonische Resonanz auf eine Wellenlänge von 3 μm verschiebt. Die Sensorvorrichtung umfasst einen in Reihe angeordneten rechteckigen Mikrohohlraum und einen Stub-Mikrohohlraumresonator. Die Resonanzfrequenzen/Wellenlängen der beiden Resonatoren wurden mit unterschiedlichen Designdimensionen untersucht. Wenn die beiden Resonatoren so ausgelegt sind, dass sie bei nahe beieinander liegenden Frequenzen schwingen, wird aufgrund der Interferenz zwischen den beiden Resonanzprofilen die interessante Fano-Resonanz mit ihrer ausgeprägten und scharfen Linienform angeregt. Die Fano-Resonanz eignet sich aufgrund ihres abrupten Intensitätsänderungsprofils für hochempfindliche Messungen. Der Sensor wird mit Finite-Differenzen-Element- und 2D-Finite-Differenzen-Zeitdomänen-Methoden untersucht und analysiert. Die Leistung des Sensors zeichnet sich durch seine hohe Empfindlichkeit von 6000 nm/RIU, ein FOM von 353 und einen begrenzten Einfügungsverlust von 0,45 dB bei einer Betriebswellenlänge von 6,5 μm aus. Darüber hinaus entwickeln wir den Sensor zur gleichzeitigen Erkennung der Gase Formaldehyd CH2O und Lachgas N2O anhand ihrer starken Absorptionsbanden bei 3,6 μm bzw. 4,46 μm Wellenlänge.

Die Messung im mittleren Infrarotbereich ist aufgrund ihrer Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Telekommunikation, Verteidigung, Umwelt- und Industrieüberwachung von besonderer Bedeutung, da viele Gase ihre Absorptionsfingerabdrücke im mittleren Infrarotbereich haben1,2. Optische Sensoren werden auf der Grundlage von zwei Hauptplattformen entwickelt: der herkömmlichen photonischen Silizium-Si-Plattform und der plasmonischen Plattform3. Während Si-Strukturen den Vorteil haben, dass sie CMOS-kompatibel sind und geringe Wellenleitungsverluste aufweisen, können plasmonische Strukturen viel kleinere Abmessungen haben. Darüber hinaus besitzen plasmonische Strukturen die interessanten Eigenschaften, dass sie die elektromagnetischen Felder in kleinen Regionen4,5 verstärken und begrenzen, beispielsweise in Metall-Isolator-Metall-Wellenleitern, plasmonischen Schlitzen und Hohlräumen. Das Problem bei den häufig verwendeten Edelmetallen Au und Ag besteht darin, dass sie eine feste Dichte an freien Elektronen haben, was zu einer festen plasmonischen Resonanzfrequenz führt, und außerdem CMOS-inkompatibel sind. Im Gegenteil, dotierte Halbleiter6,7 haben die Vorteile der CMOS-Kompatibilität und der Abstimmbarkeit der plasmonischen Resonanzfrequenz mit der Dotierungskonzentration8.

Die Funktionsprinzipien von Sensoren basieren auf starken optischen Resonanz- und Interferenzeffekten, die in verschiedenen Konfigurationen wie Rennstreckenresonatoren9 und Mach-Zender-Interferometern10 erreicht werden. Weitere Technologien wie Toroid11, Oberflächengitterresonanz12 und gebundene Zustandssensoren im Kontinuum13 wurden ebenfalls untersucht. Wir möchten jedoch die Wirkung gekoppelter Resonatoren bei der Messung im mittleren Infrarot untersuchen, die möglicherweise die Leistung der Sensoren verbessern kann. Die Kopplung von zwei oder mehr Resonatoren kann zu besonderen Eigenschaften und Spektrallinienformen mit speziellen Profilen wie der Fano-Resonanz14,15,16, der elektromagnetisch induzierten Transparenz und dem Borrmann-Effekt17 führen.

Im Allgemeinen ist die Fano-Resonanz ein Phänomen, das in der integrierten Photonik auftritt, wo Lichtwellen mit Materie auf eine Weise interagieren, die starke Einbrüche oder Spitzen im Transmissionsspektrum erzeugt. Die Fano-Resonanz wurde erstmals 196115 vom italienischen Physiker Ugo Fano beschrieben und seitdem in verschiedenen Systemen beobachtet, darunter Quantenpunkte, plasmonische Nanopartikel und photonische Kristalle.

Die Fano-Resonanz entsteht durch die Interferenz zweier optischer Pfade. Ein Weg beinhaltet eine direkte Lichtübertragung durch das Material, während der andere die Lichtstreuung durch eine diskrete Resonanzstruktur innerhalb des Materials beinhaltet. Die Interferenz zwischen diesen beiden Pfaden kann einen konstruktiven oder destruktiven Interferenzeffekt hervorrufen, der entweder zu einem scharfen Peak oder einem Abfall im Übertragungsspektrum führt. Dieser Effekt reagiert sehr empfindlich auf die Eigenschaften der Resonanzstruktur und kann für eine Vielzahl von Sensor- und Signalverarbeitungsanwendungen genutzt werden.

Die Fano-Resonanz wurde in verschiedenen integrierten photonischen Strukturen demonstriert, darunter Wellenleiter, Hohlräume und Resonatoren. Diese Strukturen können so gestaltet werden, dass sie bestimmte Resonanzfrequenzen haben, und der Fano-Resonanzeffekt kann verwendet werden, um die Lichtübertragung bei diesen Frequenzen zu verstärken oder zu unterdrücken. Dies hat zu einer Vielzahl potenzieller Anwendungen geführt, beispielsweise für optische Filter, Sensoren und Modulatoren, und ist ein aktives Forschungsgebiet auf dem Gebiet der integrierten Photonik.

Die Fano-Resonanz ist für Sensoranwendungen vielversprechend, da sie eine ausgeprägte scharfe Linienform aufweist. Die Anregung der Fano-Resonanz wird durch die Interferenz breiter und schmaler Spektrallinien oder Resonanzen beschrieben17, was zu einer Umverteilung der elektromagnetischen Felder in den Mikrokavitäten führt.

Verschiedene Materialien und Designs wurden untersucht, um hochmoderne, auf Fano-Resonanz basierende Sensoren zu entwickeln, die im mittleren Infrarotbereich arbeiten, einschließlich Graphen- und Au-Nanoantennenarrays18 und Nanoscheiben19, 1D-photonische Kristallstruktur bestehend aus Al, Au, Ag und Pt20. Ag-Nanostäbe21, Si-Lucky-Knoten-Struktur22, und die Leistung dieser Sensoren wird in Tabelle 1 mit unserem auf Fano-Resonanz basierenden Sensor verglichen.

In dieser Arbeit stellen wir einen auf Fano-Resonanz basierenden mittleren Infrarotsensor vor, der eine Empfindlichkeit von 6000 nm/RIU bei einer Wellenlänge von 6,5 μm und einen Einfügungsverlust von 0,45 dB erreicht. Wir beginnen unsere Untersuchung mit der Analyse der Reaktion eines Inline-Resonators mit rechteckigem Hohlraum23 und seiner Resonanzprofile. Dann untersuchen wir die spektrale Reaktion und die Resonanzordnungen des Stub-Hohlraumresonators. Anschließend integrieren wir die Inline- und Stub-Rechteckhohlraumresonatoren in dasselbe Gerät und optimieren sie für die Resonanz bei nahen Frequenzen und untersuchen die Reaktion dieser gekoppelten Resonatoren. Schließlich entwickeln wir den Sensor für die Erkennung von zwei Gasen auf demselben Chip, indem wir zwei Fano-Resonanzen anregen, die den starken Absorptionsbanden der CH2O- und N2O-Gase im mittleren Infrarot bei 3,6 μm und 4,46 μm24,25 entsprechen.

Um plasmonische Effekte im mittleren Infrarotbereich zu erleben, verwenden wir mit Phosphor dotiertes Si. Das n-dotierte Si-Modell basiert auf dem Drude-Modell für Metalle, bei dem die komplexe Permittivität wie folgt bewertet wird:

Dabei ist ωp die Plasmafrequenz in rad/s, \({\varepsilon }_{\infty }\) die Permittivität bei sehr hohen Frequenzen, ω die Frequenz in rad/s und Γ die Kollisionsfrequenz in rad/ S:

Dabei ist m* die effektive Masse des Elektrons, µ die Ladungsträgermobilität und q die Elektronenladung. Die Plasmafrequenz ergibt sich aus:

Dabei ist Nd die Konzentration freier Ladungsträger und ε0 die Permittivität im freien Raum. Die plasmonische Resonanz des dotierten Si ist auf das mittlere Infrarot über 3 μm für eine hohe Dotierungskonzentration von 5 × 1020 cm-3 abgestimmt, während die Werte der Drude-Modellparameter als \({\varepsilon }_{\infty }\)=11,7, ωp = 2,47 × 1015 rad/s und Γ = 9,4 × 109 rad/s6.

Ein dotierter Si-Wafer mit einer Dicke von 220 nm auf einem 3 μm dicken Saphirsubstrat wird geätzt, um den Buswellenleiter mit einer Breite von 100 nm zu bilden, wie in Abb. 1 dargestellt. Die Si-Schicht ist mit Phosphor mit einer Dotierungskonzentration von 5 × 1020 cm dotiert. 3, so dass seine Plasmaresonanzwellenlänge 3 μm6 erreicht, wodurch plasmonische Eigenschaften bei Wellenlängen im mittleren Infrarot-Spektralbereich ermöglicht werden. Zur Berechnung der modalen Eigenschaften des Metall-Isolator-Metall-Buswellenleiters wurde ein kommerzieller Wellenleitersimulator verwendet, der auf dem Finite-Differenzen-Eigenmode-Löser „FDE“26 basiert. Das FDE-Löserfenster wurde groß genug gemacht, um ein Abklingen der elektrischen Feldstärke auf −10 auf der logarithmischen Skala zu ermöglichen, d. h. an den Grenzen des Simulationsfensters (\(\mathrm{log}\left({E}_{x}^). {2}+{E}_{y}^{2}+{E}_{z}^{2}\right)=-10\)), wie in Abb. 2a gezeigt. Dies wurde für eine Länge × Breite von 5 μm × 5 μm erreicht. Bei einer Anregungswellenlänge von 5 μm, metallischen Randbedingungen und Maschenschritten von 10 nm sowohl in der x- als auch in der y-Achse ist der plasmonische Schlitzwellenleiter durch einen komplexen effektiven Index von 2,34 + j 3 × 10–5 und einen Modenverlust gekennzeichnet von 3,34 dB/cm.

3D-Schema des Fano-Resonanzsensors.

Plasmonischer Slot-Effektivmodus; (a) elektrische Feldstärke (Log-Skala), (b) elektrische Feldkomponente |Ex| (lineare Skalierung).

Die elektrische Feldkomponente |Ex| Der angeregte plasmonische Modus ist in Abb. 2b dargestellt. Das elektrische Feld zeigt einen starken Einschluss im plasmonischen Schlitz mit einer geringen Leistungsableitung zum Saphirsubstrat und zum Gas nach oben. Darüber hinaus untersuchen wir die Dispersion und den Ausbreitungsverlust des angeregten plasmonischen Modus im mittleren Infrarotbereich von 4–10 μm, wie in Abb. 3a bzw. b dargestellt.

Dispersionskurve angeregter plasmonischer Mode.

Die FDTD-Berechnungen wurden mit einem elektromagnetischen Simulator27 durchgeführt, um die Reaktion zu berechnen und die Leistung der vorgeschlagenen Designs zu analysieren. Eine Simulationszeit von 20.000 fs reichte aus, um alle Felder einschließlich der Hohlraumresonanzfelder bis zum Ende des Simulationsprozesses auf Null abfallen zu lassen. Es wurde ein automatisch ungleichmäßiger Netztyp implementiert, der mit einem minimalen Netzschritt von 0,25 nm die höchstmögliche Genauigkeitseinstellung aufweist. Um Feldreflexionen zurück in den Simulationsbereich zu minimieren, wurden 64 einachsige anisotrope, perfekt angepasste Schichten für die Randbedingungen verwendet. Die Reaktion des Inline-Rechteckhohlraumresonators hat die Form eines Bandpassfilters23, wie in Abb. 4 gezeigt, wobei das Spektralband bei kleineren Rechteckbreiten aufgrund der größeren Wechselwirkung der Felder mit den Metallgrenzen breiter wird.

Ansprechverhalten des Inline-Bassfilters mit rechteckigem Hohlraumband, li = 5 μm.

Der durch (Q = λ/Δλ) definierte Qualitätsfaktor, wobei λ die zentrale Wellenlänge und Δλ die Halbwertsbreite des Resonanzbandes ist, ist in Abb. 5 dargestellt, wo der Q-Faktor eine lineare Beziehung mit der In- Linie rechteckige Resonatorbreite. Die Länge des rechteckigen Resonators steuert die zentrale Position des Resonanzbandes, wie in Abb. 6 dargestellt.

Inline-Resonator (a) Q-Faktor, (b) Q/A mit Inline-Hohlraumbreite.

Resonanzwellenlängenverschiebung mit Inline-Hohlraumlänge, wi = 0,7 μm.

Die elektrische Feldverteilung innerhalb des rechteckigen Hohlraums wird bei zwei unterschiedlichen Resonanzordnungen untersucht, wie in Abb. 7 dargestellt, wobei eine starke Eingrenzung der elektrischen Feldkomponente Ex im rechteckigen Hohlraum beobachtet wird.

Elektrisches Feld |Ex| Verteilung, die zwei verschiedene Resonanzordnungen im Inline-Resonanzhohlraum mit den Abmessungen wi = 0,7 μm, li = 5 μm, bei (a) λ = 6 μm und (b) λ = 3,3 μm zeigt.

Der rechteckige Hohlraum der Stichleitung zeigt ebenfalls deutliche Resonanzordnungen, jedoch mit viel schärferen Linien (siehe Abb. 8) und höheren Q-Faktoren. Der Q-Faktor der 200 nm breiten Stichleitungsresonanzlinie erreicht 350, während der des Inline-Resonators derselben Breite nur 3 betrug.

Scharfe Resonanzen des rechteckigen Stub-Hohlraums, ws=200 nm.

Abbildung 9 zeigt die Verteilung der elektrischen Feldkomponente Ex innerhalb des Stichleitungsresonators für zwei verschiedene Resonanzordnungen. Der Stub-Resonator zeichnet sich durch seine scharfen Resonanzen aus, wobei seine Wellenlängenpositionen gegeben sind durch:

Dabei ist ls die Stichleitungslänge, neff der effektive Index des plasmonischen Schlitzmodus und m die Resonanzordnung.

Elektrisches Feld |Ex| Verteilung, die die ersten beiden Resonanzordnungen im Stub-Resonanzhohlraum mit den Abmessungen s = 0,2 μm, ws = 0,2 μm, ls = 2,2 μm, bei (a) λ = 7,1 μm und (b) λ = 3,95 μm zeigt.

Die Fano-Resonanz ist das Ergebnis der Kopplung eines diskreten lokalisierten Zustands an ein Kontinuum von Zuständen, beispielsweise wenn zwei Oszillatoren mit stark unterschiedlichen Dämpfungsraten mit breiten und schmalen Spektrallinien miteinander gekoppelt werden17. Um die Fano-Resonanz in unserer Struktur anzuregen, integrieren wir die Inline- und Stub-Resonatoren in derselben Struktur und optimieren sie „basierend auf unseren Studien in den vorherigen Abschnitten“, um bei nahen Frequenzen zu schwingen, sodass die scharfe Resonanz des Stub-Resonators entsteht koppelt mit dem abklingenden Schwanz der breiteren Resonanz des Inline-Resonators, wie in Abb. 10 gezeigt, die die Anregung der Fano-Resonanz bei Wellenlängen von 5,5 μm und 6,5 μm mit einem Einfügungsverlust von 0,45 dB zeigt.

Fano-Resonanz, angeregt an zwei verschiedenen Spektralpositionen als Reaktion auf die Kopplung des Inline-Resonators und des Stichleitungsresonators bei nahen Frequenzen, wi = 0,7 μm, li = 5 μm, ws1 = ws2 = 0,2 μm und s1 = s2 = 0,2 μm.

Abbildung 11 zeigt die elektrische Feldverteilung in den Resonatoren, wenn die Fano-Resonanz angeregt wird. Dabei ist zu beobachten, dass bei λ = 6 μm am oberen Ende der breiteren Linie das Feld stärker ist und auf den Inline-Hohlraum beschränkt ist. Während an der Fano-Resonanzposition λ = 6,5 μm das Feld hauptsächlich auf den Stub-Resonator beschränkt ist, weist der Inline-Hohlraum ein schwächeres Feld auf, das dem abklingenden Schwanz entspricht.

Elektrisches Feld |Ex| Verteilung innerhalb der Inline- und Stub-Resonatoren bei der Fano-Resonanzwellenlänge bei (a) λ = 6 μm und (b) λ = 6,5 μm.

Die integrierte und gekoppelte Resonatorstruktur kann in Sensoranwendungen eingesetzt werden, die die Schärfe und hohe Empfindlichkeit der Fano-Resonanz nutzen. Die Leistung und die spektrale Reaktion des Sensors werden bei der Wellenlänge von 6,5 μm untersucht, indem der Brechungsindex des umgebenden Mediums variiert wird, wie in Abb. 12 dargestellt. Die spektrale Empfindlichkeit „S“ wird durch die resonante Wellenlängenverschiebung „Δλ“ als Reaktion auf Änderungen in definiert Brechungsindex des umgebenden Gases „Δn“, gemessen in der Brechungsindexeinheit „RIU“, dh (S = Δλ/Δn). Darüber hinaus definieren wir den Gütefaktor „FOM“ des Sensors als die spektrale Empfindlichkeit dividiert durch die Halbwertsbreite „FWHM“ der resonanten Spektrallinie, sodass (FOM = S/FWHM). Berechnungen zeigen, dass eine Empfindlichkeit von 6000 nm/RIU erreicht werden kann, während die FOM 353 erreicht, mit einem Q-Faktor von 385.

Fano-Resonanzrotverschiebung mit zunehmendem Umgebungsgasindex.

Ein Vergleich zwischen unserem vorgeschlagenen Sensor und kürzlich veröffentlichten Fano-Sensoren im mittleren Infrarotbereich ist in Tabelle 1 dargestellt. Daraus geht hervor, dass unser Sensor eine hohe Empfindlichkeit bei relativ einfachem Design aufweist und gleichzeitig CMOS-kompatibel ist, da für die Plasmonik dotiertes Si und keine Metalle verwendet wurden wirkt erregend.

Viele Gase haben ihre starken Absorptionsbanden „Fingerabdrücke“ im mittleren Infrarot. Um solche Gase zu erfassen, regen wir die hochempfindliche Fano-Resonanz innerhalb der Absorptionsbänder der Zielgase an. Die gleichzeitige Erfassung verschiedener Gase wird dadurch erreicht, dass das Sensordesign zusätzlich zum Inline-Resonator zwei Stichleitungs-Mikrokavitäten umfasst. Der Wellenleiter und die Resonatoren sind mit einer Schicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) bedeckt und verfügen über Gaseinlass- und -auslasskanäle. Am Eingang des Sensors; Ein Multiplexer (MUX) kombiniert unterschiedliche Wellenlängensignale (λ1 und λ2) von zwei Laserdioden (LD), ähnlich verteilt ein Demultiplexer (DMUX) die Ausgangssignale des Sensors auf die Fotodioden (PD), wie in Abb. 13 dargestellt. As Wie wir zuvor besprochen haben, liefert der Inline-Resonator das breite Spektrum, das bei zwei verschiedenen Wellenlängenpositionen gestört wird, was zur Fano-Resonanz führt. Hier zielen wir auf die Detektion zweier Gase von besonderer Bedeutung ab. Erstens das farblose, brennbare Formaldehydgas CH2O, das in Baumaterialien, medizinischen Konservierungsmitteln, Düngemitteln und Pestiziden enthalten ist28. Wo eine hohe Exposition gegenüber CH2O-Gas bestimmte Krebsarten verursachen kann29. Zweitens unterstützt das geruchlose und farblose Lachgas N2O die Verbrennung und seine Inhalation verursacht Euphorie und Körperentspannung30. Daher ist die Überwachung und Erkennung dieser beiden Gase in den Umgebungen, in denen sie entstehen, von großer Bedeutung. CH2O und N2O werden über ihre Absorptionsbanden bei 3,6 μm bzw. 4,46 μm24,25 nachgewiesen, wie in Abb. 14 dargestellt. Das Transmissionsspektrum des Mehrgassensors ist in Abb. 15 dargestellt, mit optimierten Abmessungen der neuen Struktur als ws1 = 0,2 μm, ls1 = 0,85 μm, ws2 = 0,2 μm, ls2 = 1,3 μm und wi = 0,4 μm, li = 2,9 μm. Die Empfindlichkeit und FOM wurden für beide Wellenlängen von 3,6 μm und 4,46 μm berechnet. Bei der Resonanzwellenlänge von 3,6 μm wurde eine Empfindlichkeit von 2300 nm/RIU und ein FOM von 60 erreicht. Bei der Resonanzwellenlänge von 4,46 μm erreichte die Empfindlichkeit 3860 nm/RIU mit einer berechneten FOM von 145.

3D-Schema des auf Fano-Resonanz basierenden Sensors mit zwei Stub-Hohlräumen zur gleichzeitigen Erkennung von CH2O und N2O.

Infrarotabsorptionsspektren von (a) CH2O-Gas und N2O-Gas. Angepasst von 24,25.

Nachweis von CH2O und N2O bei Wellenlängen von 3,6 μm bzw. 4,46 μm.

Zum Ätzen von Si-Wafern nach der Photolithographie oder Elektronenstrahllithographie31 werden typischerweise verschiedene Ätzverfahren verwendet, wie zum Beispiel reaktives Ionenätzen32,33 und induktiv gekoppeltes Plasma-Trockenätzen34. Aufgrund der hohen Auflösung empfehlen wir hier die Verwendung der Elektronenstrahllithographie zur Definition des Metall-Isolator-Metall-Wellenleiters, des rechteckigen Resonators und des Stub-Resonators. Der Stub-Mikrohohlraum ist offensichtlich weniger fertigungstolerant als der größere rechteckige Hohlraum, daher untersuchen wir die Fertigungstoleranz des Stub-Mikrohohlraums mit den Abmessungen s = 0,2 μm, ws = 0,2 μm und li = 0,8 μm in Abb. 16, wo seine Abmessungen waren um ± 10 nm verändert, bis eine Fertigungstoleranz von 50 nm erreicht ist. Bei der Untersuchung der Reaktion des Resonators auf die Änderungen der Stichleitungsbreite wurde festgestellt, dass die Fano-Resonanz bei größeren Breiten aufgrund der Dominanz der breiten Resonanzlinie des rechteckigen Hohlraums nicht mehr erkennbar ist. Daher beschränken wir Abb. 16b auf Breiten mit −50 nm Herstellungsfehler. Da die Fano-Resonanz aus der Kopplung der scharfen Stichleitungsresonanz mit dem Schwanz der breiteren Resonanz des Inline-Resonators resultiert, können wir den akzeptablen Fertigungstoleranzbereich des Stichleitungsresonators als den Wellenlängenbereich des breiteren Resonanzschwanzes definieren, der dies tun würde führt aufgrund der Kopplung mit der schärferen Stub-Resonanz immer noch zu einer Fano-Resonanz. Qualitativ kann dies anhand der Vollbreite bei einem gegebenen Bruchteil des Maximums (FWGF) definiert werden. In unserem Fall wählen wir den Fertigungstoleranzbereich zwischen FWGF5 % und FWGF30 %, d. h. volle Breite bei 5 % bzw. 30 % des Maximums. Dies entspricht einem Bereich akzeptabler Fertigungstoleranzen von 220 nm für die kurzwellige Seite des Spektrums und 720 nm für die langwellige Seite des Spektrums, wie in Abb. 17 dargestellt.

Herstellungstoleranz, dargestellt durch Einfügedämpfungsmessungen mit den Herstellungsfehlern in Länge (a) und Breite (b) des s = 0,2 μm, ws = 0,2 μm, li = 0,8 μm Stub-Mikrohohlraums.

Der Fertigungstoleranzbereich ist zwischen FWGF5 % und FWGF30 % für die kurzwellige Seite des Spektrums (in Grün) und die langwellige Seite des Spektrums (in Blau) definiert, ws1 = 0,2 μm, ls1 = 0,85 μm, ws2 = 0,2 μm, ls2 = 1,3 μm und wi = 0,4 μm, li = 2,9 μm.

Ein Gassensor im mittleren Infrarotbereich wurde demonstriert und untersucht. Der Sensor besteht aus einer dotierten Si-Schicht, die geätzt wurde, um einen plasmonischen Schlitzwellenleiter, Inline- und Stub-Hohlraumresonatoren zu bilden. Der verwendete Dotierungspegel treibt die plasmonische Resonanz des Si auf 3 μm, was dazu führt, dass es plasmonische Eigenschaften im mittleren Infrarotbereich aufweist. Die Leistung jedes Resonatortyps wurde einzeln untersucht und dann wurden beide zusammen integriert. Bei der Kopplung bei nahen Frequenzen wurde die Fano-Resonanz aufgrund der Interferenz zwischen der breiten Reaktion des Inline-Mikrohohlraums und der schärferen Resonanz des Stichleitungsresonators angeregt. Es wurden Leistungsparameter wie Empfindlichkeit, FOM und Einfügedämpfung des Geräts gemessen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Sherif M. Sherif und Mohamed A. Swillam

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SM Sherif schlug die Idee und das Design vor, und MA Swillam entwickelte das Konzept und definierte die Funktionalität und Anwendungen. SM Sherif führte die numerischen Simulationen durch und verfasste den Papierentwurf. MA Swillam überarbeitete und modifizierte das Manuskript. Alle Autoren diskutierten, überarbeiteten, redigierten und genehmigten das Manuskript.

Korrespondenz mit Mohamed A. Swillam.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sherif, SM, Swillam, MA Siliziumbasierter On-Chip-Gassensor im mittleren Infrarotbereich unter Verwendung der Fano-Resonanz gekoppelter plasmonischer Mikrokavitäten. Sci Rep 13, 12311 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38926-9

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Eingegangen: 09. September 2022

Angenommen: 17. Juli 2023

Veröffentlicht: 29. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38926-9

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