[論文レビュー] Oxides and nitrides as alternative plasmonic materials in the optical range

Gururaj V. Naik, Jong‐Bum Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2011

GaN-based semiconductor devices and materials被引用数 41

ひとこと要約

本稿では、ITO、AZO、GZOなどの透明導電酸化物（TCO）およびTiN、ZrNなどの遷移金属窒化物を、近赤外および可視周波数帯における低損失でCMOSプロセスと互換性のあるプラズモニック材料として提案する。それらの材料は、光学的特性の調整可能性と標準ナノプロセスとの適合性を活かし、銀や金といった従来の金属と比較して顕著に損失が低い高性能なメタマテリアルおよびプラズモニックデバイスの実現を可能にする。

ABSTRACT

As alternatives to conventional metals, new plasmonic materials offer many advantages in the rapidly growing fields of plasmonics and metamaterials. These advantages include low intrinsic loss, semiconductor-based design, compatibility with standard nanofabrication processes, tunability, and others. Transparent conducting oxides such as Al:ZnO, Ga:ZnO and indium-tin-oxide (ITO) enable many high-performance metamaterial devices operating in the near-IR. Transition-metal nitrides such as TiN or ZrN can be substitutes for conventional metals in the visible frequencies. In this paper we provide the details of fabrication and characterization of these new materials and discuss their suitability for a number of metamaterial and plasmonic applications.

研究の動機と目的

• プラズモニックおよびメタマテリアル応用において、金や銀といった従来の金属に見られる制限を克服する代替プラズモニック材料の同定と評価すること。
• 統合光子デバイスにおける伝統的なプラズモニック金属の高い固有損失およびCMOSプロセスとの不適合性を解決すること。
• 透明導電酸化物（TCO）および遷移金属窒化物が、貴金属よりも低い伝搬損失と優れたプロセス適合性を示すことを実証すること。
• 材料組成および成膜条件の精密制御により、可変性が高く高性能なプラズモニックデバイスを実現すること。
• 酸化物および窒化物膜をハイパーレンズ、スーパーレンズ、イプシロン・ネア・ゼロ（ENZ）デバイスなどの機能的コンponentsとして用いる可能性を確立すること。

提案手法

• パulsed laser deposition、RF磁気スパッタリング、原子層エピタクシーを含む技術を用いて、TCO（ITO、AZO、GZO）および窒化物（TiN、ZrN）の高品質薄膜を成膜する。
• 可視光および近赤外域スペクトル全域における分光的屈折率測定および反射率測定を用いて、光学定数および誘電関数を同定する。
• JohnsonとChristy（1972年）のデータを用い、代替材料の複素誘電率および損失特性を金および銀と比較する。
• 表面粗さおよび結晶性の影響がプラズモニック損失に与える影響を評価し、スapphireなどの格子定数が一致する基板上でのエpitaxial成長の利点を強調する。
• ドーピングおよびプロセス条件によるチューナビリティの評価を行い、メタマテリアルにおけるプラズモニック応答の動的制御を可能にする。
• ハイパーレンズ、スーパーレンズ、ENZベースの光集束器などの機能的デバイス構造への材料統合を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 透明導電酸化物（TCO）は、近赤外帯域で貴金属よりも低い伝搬損失を達成できるか？
• RQ2 TiN や ZrN などの遷移金属窒化物は、可視光帯域で金や銀と同等のプラズモニック性能を示せるか？
• RQ3 表面粗さおよび粒界散乱が、代替材料のナノ構造におけるプラズモニック損失に与える影響はどの程度か？
• RQ4 ドーピングおよび成膜パラメータによる制御により、TCOおよび窒化物の光学的特性を調整し、再設定可能なプラズモニックデバイスを実現できるか？
• RQ5 TCOおよび窒化物は、シリコンベースの電子回路とのモノリシック統合を可能にする標準CMOSプロセスとどの程度適合するか？

主な発見

• ITO、AZO、GZOなどの透明導電酸化物は、近赤外帯域で銀の約5倍低い損失を示し、低損失プラズモニック応用に優れている。
• TiNおよびZrNは可視光帯域で金属的挙動を示し、負の誘電率を示すため、間接遷移に起因する損失が高くてもプラズモニック応答を発現できる。
• スapphire基板上に成長した窒化物薄膜は高い結晶性と低い表面粗さを達成しており、散乱損失が最小限に抑えられ、最適化された構造では貴金属と同等の性能を発揮する。
• 金や銀とは異なり、TCOおよび窒化物はCMOSプロセスと適合するため、シリコンベースの電子素子およびトランジスタとモノリシック統合が可能である。
• TCOおよび窒化物の光学的特性は、ドーピングおよび成膜条件の制御により強くチューナブルであり、プラズモニック共鳴周波数およびデバイス機能の動的制御が可能である。
• スapphireまたはZnO基板上に高品質なエpitaxial薄膜として成膜されたAZOおよびGZOは、スーパーレンズおよびモノリシックプラズモニックデバイスの高効率化を実現するための超格子構造やデバイスの作製を可能にする。