[論文レビュー] Towards integrated metatronics: a holistic approach on precise optical and electrical properties of Indium Tin Oxide

Yaliang Gui, Mario Miscuglio+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、RFスパッタリングと後処理アニールを用いて、酸化インジウムスズ（ITO）薄膜の光学的および電気的特性を包括的かつプロセス制御的に精密に設計する手法を提示する。酸素流量と熱処理を体系的に調整することで、通信帯域全域にわたり、調整可能なイプシロン・ネア・ゼロ（ENZ）行動を実現し、1550 nmで機能するサブ波長メタトロニックフィルタの設計に成功した。これにより、統合メタトロニック回路への実現可能性が示された。

ABSTRACT

The class of transparent conductive oxides includes the material indium tin oxide (ITO) and has become a widely used material of modern every-day life such as in touch screens of smart phones and watches, but also used as an optically transparent low electrically-resistive contract in the photovoltaics industry. More recently ITO has shown epsilon-near-zero (ENZ) behavior in the telecommunication frequency band enabling both strong index modulation and other optically-exotic applications such as metatronics. However the ability to precisely obtain targeted electrical and optical material properties in ITO is still challenging due to complex intrinsic effects in ITO and as such no integrated metatronic platform has been demonstrated to-date. Here we deliver an extensive and accurate description process parameters of RF-sputtering, showing a holistic control of the quality of ITO thin films in the visible and particularly near-infrared spectral region. We further are able to custom-engineer the ENZ point across the telecommunication band by explicitly controlling the sputtering process conditions. Exploiting this control we design a functional sub-wavelength-scale filter based on lumped circuit-elements, towards the realization of integrated metatronic devices and circuits.

研究の動機と目的

• 可視光および近赤外領域におけるITOの電気的および光学的特性を包括的かつ相互に検証可能な方法で制御すること。
• 精密なプロセスパrameterの調整により、ITO薄膜で同時に高い透明性と低い抵抗率を達成する課題に対処すること。
• 通信帯域全域にわたり、ITOにおけるイプシロン・ネア・ゼロ（ENZ）波長を正確に調整可能にすること。
• 統合光子デバイス用途を想定し、ITOのラumped回路素子としての特性を利用した、機能的なサブ波長スケールのメタトロニックフィルタの実証すること。

提案手法

• 固定されたアルゴン流量（40 sccm）と変動する酸素流量（0–30 sccm）を用いた、Si/SiO2基板上へのITO薄膜のRFスパッタリング（1500 sの堆積時間）。
• 結晶性の回復とキャリア活性化の制御を目的とした、不活性ガス（H2/N2）雰囲気下、350 °Cで15分間の後処理アニール。
• 4点プローブ法、ホール効果測定、および伝送線路測定による電気的特性の包括的相互検証。
• 200–1680 nmのスペクトロスコピック・エリプソメトリーを実施し、積層モデル（カウチ、Bスプライン、ドレーブ、ローレンツ振動子）を用いて膜厚、複素誘電率、キャリアパラメータを抽出。
• 誘電応答をモデル化するためのマルチオシレータ適合手法を用い、キャリア密度、移動度、散乱時間を抽出。
• 光波導内にITOをラumped RLC等価素子として用いたサブ波長スケールのメタトロニックフィルタの設計およびシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素流量と後処理アニールが、スパッタリングによるITO薄膜の可視光および近赤外領域における電気的および光学的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 制御されたスパッタリングおよびアニールプロセスにより、ITOのイプシロン・ネア・ゼロ（ENZ）波長を通信帯域全域にわたり正確に調整可能か？
• RQ3 酸素濃度および熱処理の関数として、ITO薄膜における抵抗率、キャリア密度、移動度の相関関係はいかなるものか？
• RQ4 ITO薄膜の特性評価に向け、包括的かつ相互検証可能なメトロロジー枠組みをどの程度確立できるか？
• RQ5 設計されたITO薄膜をラumped回路素子として用いることで、機能的なサブ波長スケールのメタトロニックフィルタを実現可能か？

主な発見

• 10 sccmの酸素流量で、酸素流量ゼロの状態と比較して抵抗率が10倍に上昇し、電気的特性が酸素含有量に強く依存することが示された。
• アニール処理により、10 sccm酸素流量のサンプルでENZ波長が1.4 µmから2.1 µmへ赤方偏移を示し、通信帯域全域にわたり波長調整が可能であることを実証した。
• 膜厚に依存するキャリア分布が観察され、熱処理により深さ方向にキャリア活性化が進行した。
• 熱アニールにより抵抗率勾配を制御可能であり、結晶構造の回復と膜品質の向上が達成された。
• 酸素流量と堆積時間の調整により、ENZ点を通信帯域全域にわたりエンジニアリング可能であり、誘電率の精密制御が可能となった。
• ITOベースのラumped回路素子を用いた、1550 nmで機能するサブ波長スケールのメタトロニックフィルタが実証され、統合メタトロニックデバイスの実現可能性が裏付けられた。