[論文レビュー] Hyper-doped silicon nanoantennas and metasurfaces for tunable infrared plasmonics

Jean‐Marie Poumirol, Clément Majorel+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Plasmonic and Surface Plasmon ResearchEngineering参考文献 43被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、中赤外域（2–5 μm）における可変な局所表面プラズモン共鳴（LSPR）を示す、ハイパードドープされたシリコンナノディスク（Si-ND）を用いた全シリコンプラズモニックメタサーフェスを実証している。100 nmの直径、23 nmの高さを有するSi-NDにおいて、パルスレーザー熱アニーリングを用いてキャリア濃度を最大10²¹ cm⁻³まで達成することで、強い赤外吸収および反射率の変調を実現した。シミュレーションにより、近接場結合および格子周期性効果が確認され、吸収率と反射率の独立した制御が可能であることが示された。

ABSTRACT

We present the experimental realization of ordered arrays of hyper-doped silicon nanodisks, which exhibit a localized surface plasmon resonance. The plasmon is widely tunable in a spectral window between 2 and 5 $\\mu$m by adjusting the free carrier concentration between 10$^{20}$ and 10$^{21}$ cm$^{-3}$. We show that strong infrared light absorption can be achieved with all-silicon plasmonic metasurfaces employing nano-structures with dimensions as low as 100\\,nm in diameter and 23 nm in height. Our numerical simulations show an excellent agreement with the experimental data and provide physical insights on the impact of the nanostructure shape as well as of near-field effects on the optical properties of the metasurface. Our results open highly promising perspectives for integrated all-silicon-based plasmonic devices for instance for chemical or biological sensing or for thermal imaging.

研究の動機と目的

• 中赤外域（MIR）範囲における可変な局所表面プラズモン共鳴（LSPR）を示す全シリコンプラズモニックメタサーフェスの開発。
• 貴金属および高屈折率ダイエレクトリックのMIRプラズモニクスにおける限界を克服するため、高自由キャリア濃度を有するハイパードドープシリコンナノ構造を用いる。
• パルスレーザー熱アニーリング（LTA）を用いた、シリコンナノディスクにおける正確で均一なドーピングを実現し、スケーラブルでCMOS準拠のプロセスを実現する。
• Si-NDにおけるキャリア密度の制御により、2–5 μmの範囲で強い赤外光吸収および可変LSPRを実験的に実証する。
• 数値シミュレーションと実験的検証を用いて、密なメタサーフェスにおける近接場結合および集団効果を調査・定量する。

提案手法

• シリコンオンインサレータ（SOI）基板上に、23 ± 2 nmのシリコン上層と20 nmの埋め込み酸化シリコン（BOX）を有する、トップダウンアプローチによるシリコンナノディスク（Si-ND）の作製。
• キャリア濃度を10²⁰–10²¹ cm⁻³の範囲で調整するため、低エネルギー（4 keV）のリン（P）イオン注入を4回にわたり段階的に実施。
• 固体溶解度を超えるハイパードドーピングを実現するとともに、単結晶構造を保持するため、パルスレーザー熱アニーリング（LTA）を適用。
• メタサーフェスの光学的応答をシミュレートするため、切断円錐に有効極化率近似を用いたグリーン双対法（GDM）を用いる。
• Si-ND間の双極子相互作用を含む・含まないケースを比較することで、シミュレーションに近接場結合効果を組み込む。
• 格子周期性（Si-ND間のギャップ）を50 nmから500 nmまで系統的に変化させ、反射率および吸収率に及ぼすコherentな散乱および干渉効果を調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパードドープシリコンナノディスクは、中赤外域（2–5 μm）において可変な局所表面プラズモン共鳴（LSPR）を実現できるか？
• RQ2 パルスレーザー熱アニーリングは、結晶性の劣化を伴わず、シリコンナノ構造における均一で高濃度のドーピングをどの程度可能にするか？
• RQ3 近接場結合および集団散乱効果は、密なSi-NDメタサーフェスの反射率および吸収率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 格子周期性を、吸収率を一定に保ちつつ反射率を独立に制御するためのパラメータとして用いることができるか？
• RQ5 3次元ナノディスク形状および光学的近接場相互作用は、全シリコンメタサーフェスのLSPR応答に果たす役割は何か？

主な発見

• Si-NDメタサーフェスは、自由キャリア濃度を10²⁰から10²¹ cm⁻³に変化させることで、2.5–5 μmの範囲で可変なLSPRピークを示す。
• LSPR周波数において10%の透過率低下が観察され、2–5 μmの波長に対して100 nmの直径という波長未満のサイズであるにもかかわらず、強い赤外光相互作用が確認された。
• Si-ND間の近接場結合により、反射率が約20%増加し、孤立したディスクと比較して共鳴ピークがわずかに赤方シフトした。
• Si-ND間のギャップを500 nmから50 nmに減少させた際、反射率は1平方単位面積あたり10倍以上に増加した。これは、コherentな散乱および強め合い干渉によるものである。
• 異なる格子間隔においても、吸収率はほぼ一定に保たれ、近接場結合が主に反射率を増幅させること、吸収率に与える影響は小さいことが示された。
• 有効極化率を用いたグリーン双対法（GDM）を用いた数値シミュレーションは、実験的反射率および透過率スペクトルと優れた定量的整合性を示した。