DE102016206999A1

DE102016206999A1 - Sub-THz- bis Mittelinfrarot- durchstimmbare Halbleiterplasmonik

Info

Publication number: DE102016206999A1
Application number: DE102016206999.3A
Authority: DE
Inventors: Subhajit Guha; Thomas Schröder; Bernd Witzigmann; Giovanni Capellini
Original assignee: Universitaet Kassel; IHP GmbH
Current assignee: Universitaet Kassel; IHP GmbH
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-09-21
Also published as: US20170269267A1; US10054722B2

Abstract

Ein durchstimmbarer Plasmonenresonator, aufweisend eine Plasmonenresonanzschicht aus Graphen, einem kristallinen Gruppe-IV-Halbleitermaterial oder einem kristallinen Gruppe-III-V-Halbleitermaterial und das auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei die Plasmonenresonanzschicht einen Plasmonenresonanzbereich hat, der einem Detektionsvolumen ausgesetzt ist, und ein Durchstimmgerät das in den Plasmonenresonator integriert ist und angeordnet und ausgebildet ist, eine freie Ladungsträgerdichte in Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht zu ändern oder einen effektiven Massenbetrag der freien Ladungsträger in dem Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht durch Anwendung einer Steuerspannung auf eine oder mehrere Durchstimmungssteuerelektroden des Durchstimmgerätes zu ändern, und somit eine Plasmonenfrequenz der Plasmonen-Polaritonen in dem Plasmonenresonanzbereich auf einen gewünschten Plasmonenfrequenzwert innerhalb eines Plasmonenfrequenzdurchstimmintervalls festzusetzen, für eine Resonanzanregung von Plasmonen-Polaritonen durch einfallende elektromagnetische Wellen einer dem festgesetzten Plasmonenfrequenzwert entsprechenden Frequenz.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen durchstimmbaren Plasmonenresonator, ein Sensorgerät, eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Herstellen eines durchstimmbaren Plasmonenresonators.
In Metallen zeigen freie Elektronen mit einer Gleichgewichtselektronendichte kollektive longitudinale Dichteoszillationen, die als Plasmonen bezeichnet werden, mit einer Eigenfrequenz, die Plasmonenfrequenz genannt wird. Das Vorliegen eines durch eine Oberfläche gebildeten Randes führt zu einer weiteren Oszillationsmode, nämlich Oberflächenwellen, die Oberflächenplasmonen bilden. Oberflächenplasmonen sind folglich kollektive Oszillationen freier Elektronen an der Oberfläche.
Oberflächenplasmonen an einer Verbindungsfläche eines Metalls mit einem Dielektrikum können mit einem propagierenden elektromagnetischen Feld (Photonen) koppeln, was zu Oberflächenplasmonen-Polaritonen führt. Diese Oberflächenplasmonen-Polaritonen propagieren entlang der Oberfläche. Somit führt eine Wechselwirkung von Licht mit elektromagnetischen Wellen in Metallstrukturen zu elektromagnetischen Feldern, die durch Oberflächenplasmonen-Polaritonen entstehen. Die Stärke des mit einem Oberflächenplasmonen-Polariton verbundenen elektromagnetischen Feldes nimmt exponentiell mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Metalls, ab. Da Oberflächenplasmonen-Polaritonen entlang des Randes des Metalls und eines externen dielektrischen Mediums propagieren, sind sie sensitiv gegenüber jeder Änderung des Randes, wie etwa der Adsorption von Molekülen an der leitenden Oberfläche.
Metallische Plasmonenstrukturen wurden zur Anwendung in Wellenleitern, Sensoren und Modulatoren erforscht. Durch die vergrößerte Feldstärke, die eine typische Eigenschaft von Oberflächenplasmonen-Polaritonen ist, versprechen Oberflächenplasmonen-basierte Biosensoren zum Erfassen von Biomolekülen eine extrem hohe Sensitivität, die sogar zum Detektieren eines einzelnen in der Nähe der Oberfläche angeordneten Biomoleküls geeignet ist. Dadurch erscheinen Oberflächenplasmonen-basierte Biosensoren ideal für Lab-on-Chip-Anwendungen geeignet.
Aufgrund der Plasmonenfrequenzen in Metallen liegt die Betriebsfrequenz von bekannten Metallplasmonenstrukturen im sichtbaren Spektralbereich. Die Abklinglänge, die das Abnehmen der Feldstärke des elektromagnetischen Feldes der Oberflächenplasmonen-Polaritonen in einem dielektrischen Fluidvolumen über der Metalloberfläche (hier Detektionsvolumen genannt) beherrscht, ist in der Größenordnung von Nanometern und verhilft somit zu einer Nahfelderkennung von Biomolekülen bis hin zu einer Größenordnung von Nanometern.
Um dazu in der Lage zu sein, verschiedene Biomoleküle zu identifizieren und zwischen ihnen zu unterscheiden, sind häufig spektroskopische Messungen notwendig, die eine Verfügbarkeit von Oberflächenplasmonen-Polaritonen voraussetzen, die ein interessierendes Frequenzspektrum abdecken. Ein Durchstimmen der Plasmonenfrequenz der Plasmonen ist jedoch in bekannten Metallstrukturen sehr schwierig. Daher bleibt das Bilden einer Spektroskopie-Plattform unter Verwendung plasmonischer Strukturen eine offene Aufgabe.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein durchstimmbarer Plasmonenresonator bereitgestellt, aufweisend:

– eine Plasmonenresonanzschicht aus Graphen, einem kristallinen Gruppe-IV-Halbleitermaterial oder einem kristallinen Gruppe-III-V-Halbleitermaterial und die auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei die Plasmonenresonanzschicht einen Plasmonenresonanzbereich hat, der einem Detektionsvolumen ausgesetzt ist. Dies ist der Plasmonenresonator, dessen Resonanzfrequenz von der Geometrie des Resonators abhängig ist. Die Plasmonenfrequenz definiert den Brechzahlkontrast.
– ein Durchstimmgerät, das in den Plasmonenresonator integriert ist und angeordnet und ausgebildet ist,
– die freie Ladungsträgerdichte im Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht zu ändern oder einen effektiven Massenbetrag der freien Ladungsträger in dem Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht durch Anwendung einer Steuerspannung auf eine oder mehrere Durchstimmungssteuerelektroden des Durchstimmgerätes zu ändern, und
– somit eine Plasmonenfrequenz der Plasmonen-Polaritonen in dem Plasmonenresonanzbereich auf einen gewünschten Plasmonenfrequenzwert innerhalb eines Plasmonenfrequenzdurchstimmintervalls festzusetzen, für eine Resonanzanregung von Plasmonen-Polaritonen durch einfallende elektromagnetische Wellen einer dem festgesetzten Plasmonenfrequenzwert entsprechenden Frequenz.

Der durchstimmbare Plasmonenresonator gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung basiert auf einer Halbleiterstruktur mit freien Ladungsträgern in einer Plasmonenresonanzschicht. Der Plasmonenresonator basiert nicht auf angeregten Oberflächenplasmonen wie in Metallen, sondern auf einem größeren Volumen der Plasmaresonanz in der Plasmonenresonanzschicht. Wie per se bekannt ist, ist die Plasmonenfrequenz in einem Halbleiter von der Konzentration freier Ladungsträger innerhalb des Halbleiters und von der effektiven Masse der Ladungsträger abhängig. Dies wird ausgedrückt durch die Drude-Lorentz-Relation
wobei ω_p die Plasmonenfrequenz ist, N eine Ladungsträgerdichte ist, q die Elementarladung ist, ε₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum ist und m die effektive Masse der freien Ladungsträger ist. Die Konzentration freier Ladungsträger kann einerseits durch eine Dotierung während der Herstellung beeinflusst werden, aber andererseits auch durch Einbringung freier Ladungsträger während eines Betriebs des durchstimmbaren Plasmonenresonators, was bedeutet, durch Anwendung einer geeigneten Durchstimmungssteuerspannung über das Durchstimmgerät. Weiterhin kann die effektive Masse der freien Ladungsträger einerseits durch die Materialauswahl während der Herstellung beeinflusst werden, aber andererseits auch dadurch, dass das Gitter der Halbleiterplasmonenresonanzschicht mechanischer Belastung unterworfen wird, die eine Druck- oder Zugbelastung sein kann. Die Anwendung von Belastung beeinflusst die effektive Masse der freien Ladungsträger in der Halbleiterplasmonenresonanzschicht. Dadurch können beide erwähnten Maßnahmen genutzt werden, das Beeinflussen der Dichte freier Ladungsträger und das Beeinflussen der effektiven Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht, um die Plasmonenfrequenz in der Plasmonenresonanzschicht abzustimmen. Die Maßnahmen können in Kombination oder alternativ angewendet werden.
Entsprechend der typischen freien Ladungsträgerdichten und der effektiven Massen in Halbleitermaterialien ist der durchstimmbare Halbleiterplasmonenresonator für einen Betrieb in dem Sub-Terahertz- bis Mittelinfrarotspektralbereich des elektromagnetischen Spektrums geeignet. Der vorgeschlagene durchstimmbare Halbleiterplasmonenresonator bildet somit einen Schlüssel zum Erhalten von Information über Absorption und Vibrationseigenschaften großer Moleküle, wie etwa Biomoleküle, deren Information exakt in dem Sub-Terahertz- bis Mittelinfrarotspektralbereich erhalten werden kann.
Ein Vorteil des Halbleiterplasmonenresonators der vorliegenden Erfindung ist, dass er auch ein Durchstimmen des Qualitätsfaktors des Resonators erlaubt. Entsprechend der großen Feldeindringung in Halbleitermaterialien wird dies nur in der Halbleiterplasmonik und nicht in der Metallplasmonik erreicht. Hierdurch wird das Volumen des Halbleiters entscheidend, welches die Rolle des Durchstimmens des Qualitätsfaktors des Geräts übernimmt. In Metallen ist dies ein Oberflächenphänomen, Volumen des Geräts spielen keine Rolle dabei und folglich ist solch ein Durchstimmen des Qualitätsfaktors nicht möglich.
Weiterhin können Ausführungsformen des durchstimmbaren Plasmonenresonators der Erfindung auf Materialien und Strukturen basieren, die mit Standardhalbleiterfabrikationsprozessen kompatibel sind, wie etwa CMOS oder BiCMOS. Dies verringert die Kosten der Herstellung, insbesondere für Lab-on-Chip-Gestaltungen, die eine große Anzahl von Halbleiterplasmonenresonatorstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten.
Im Folgenden werden Ausführungsformen des durchstimmbaren Plasmonenresonators erklärt.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Plasmonenfrequenz durchzustimmen, welche alternativ oder in Kombination miteinander genutzt werden können.
Eine Möglichkeit bildet eine aktive Steuerung und somit ein Durchstimmen der Konzentration freier Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht. In einer Ausführungsform, in der diese Möglichkeit implementiert ist,

– ist die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht mit intrinsischer Leitfähigkeit,
– weist das Durchstimmgerät eine durch eine erste dotierte Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart gebildete erste Durchstimmschicht und eine durch eine zweite dotierte Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart entgegengesetzt zu der ersten Leitfähigkeitsart gebildete zweite Durchstimmschicht auf, wobei die erste und zweite Durchstimmschicht jeweils mit einer entsprechenden ersten oder zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind, und wobei
– die Plasmonenresonanzschicht zwischen der ersten und zweiten Durchstimmschicht angeordnet ist, um eine PIN-Struktur zu bilden, wodurch eine Einbringung freier Ladungsträger in die Plasmonenresonanzschicht mit einem Dichtebetrag ermöglicht ist, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode angewendete Einbringungssteuerspannung abhängt.

In einer weiteren Ausführungsform, die die Möglichkeit des Durchstimmens der durch den durchstimmbaren Plasmonenresonator der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Ladungsträgerdichte nutzt,

– ist die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht mit einer ersten Leitfähigkeitsart,
– weist das Durchstimmgerät eine durch eine dotierte Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart entgegensetzt zu der ersten Leitfähigkeitsart gebildete Durchstimmschicht auf, wobei die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht jeweils mit einer entsprechenden ersten oder zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind, und wobei
– die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht zum Bilden eines PN-Übergangs angeordnet sind, wobei der Plasmonenresonanzbereich unter Anwendung einer maximalen Sperrvorspannung in einer Verarmungszone liegt und eingebrachte freie Ladungsträger mit einem Dichtbetrag beinhaltet, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode angewendete Einbringungssteuerspannung abhängt. Die Einbringungssteuerspannung soll in einer Variante in Vorwärtsrichtung bereitgestellt sein. In einer weiteren Variante soll eine in Rückwärtsrichtung angewendete Einbringungssteuerspannung genutzt werden, beispielsweise mit einem Spannungsbetrag, der die Einbringung von heißen Ladungsträgern oder Lawinen-Ladungsträgern erzeugt.

In wiederum einer weiteren Ausführungsform, die sich die Durchstimmbarkeit der freien Ladungsträgerdichte zunutze macht,

– ist die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart,
– weist das Durchstimmgerät eine durch eine Metallschicht gebildete Durchstimmschicht auf, wobei die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht jeweils mit einer entsprechenden ersten oder zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind, und wobei
– die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht zum Bilden eines Schottky-Übergangs angeordnet sind, wobei der Plasmonenresonanzbereich unter Anwendung einer maximalen Sperrvorspannung in einer Verarmungszone liegt und eingebrachte freie Ladungsträger mit einem Dichtebetrag beinhaltet, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode in Vorwärtsrichtung angewendeten Einbringsteuerspannung abhängt.

Weitere Ausführungsformen machen sich die Möglichkeit des durchstimmbaren Plasmonenresonators der vorliegenden Erfindung zunutze, die effektiven Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht durchzustimmen.
In einer dieser Ausführungsformen weist das Durchstimmgerät eine piezoelektrische Belastungsschicht auf, die ausgebildet und angeordnet ist, piezoelektrisch verformt zu werden und dadurch eine Belastung auf ein Kristallgitter der Plasmonenresonanzschicht mit einem Druckbetrag auszuüben, der von einer Beanspruchungssteuerspannung abhängt, die auf die piezoelektrische Belastungsschicht über mindestens einer Beanspruchungssteuerelektrode angewendet wird, wodurch ein in der Plasmonenresonanzschicht vorliegender Gitterbeanspruchungsbetrag geändert wird und im Gegenzug sich eine effektive Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht verändert. Vorzugsweise ist die Belastungsschicht zwischen dem Trägersubstrat und der Plasmonenresonanzschicht angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform, die sich die variierenden effektiven Massen der freien Ladungsträger für variierende Plasmonenfrequenzen zunutze macht, hat die Plasmonenresonanzschicht verschiedene Materialzusammensetzungen in verschiedenen seitlichen Abschnitten. Die verschiedenen Materialzusammensetzungen sind mit verschiedenen effektiven Massebeträgen der freien Ladungsträger in den entsprechenden seitlichen Abschnitten verbunden. In dieser Ausführungsform führen die verschiedenen seitlichen Abschnitte zur Resonanz bei verschiedenen Plasmonenfrequenzen. Die Resonanzschicht als Ganzes kann dadurch auf verschiedene eingehende Frequenzen reagieren.
In einer Ausführungsform, die sich eine Kombination der erwähnten verschiedenen Möglichkeiten des Durchstimmens der Plasmonenfrequenz zunutze macht,

– ist die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht mit intrinsischer Leitfähigkeit,
– weist das Durchstimmgerät eine durch eine erste dotierte Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart gebildete erste Durchstimmschicht und eine durch eine zweite dotierte Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart entgegengesetzt zu der ersten Leitfähigkeitsart gebildete zweite Durchstimmschicht auf, wobei die erste und zweite Durchstimmschicht jeweils mit einer Entsprechenden von einer ersten und zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind,
– ist die Plasmonenresonanzschicht zwischen der ersten und zweiten Durchstimmschicht angeordnet, wodurch eine Einbringung freier Ladungsträger in die Plasmonenresonanzschicht mit einem Dichtebetrag erlaubt ist, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode angewendete Einbringungssteuerspannung abhängt, und wobei
– das Durchstimmgerät weiterhin eine piezoelektrische dritte Durchstimmschicht aufweist, die ausgebildet und angeordnet ist, piezoelektrisch verformt zu werden und dadurch eine Zugbelastung auf die Plasmonenresonanzschicht auszuüben mit einem Belastungsbetrag, der von einer Beanspruchungssteuerspannung abhängt, die auf die Durchstimmschicht über mindestens eine Beanspruchungssteuerelektrode angewendet ist, wodurch ein in der Plasmonenresonanzschicht vorliegender Gitterbeanspruchungsbetrag geändert wird und im Gegenzug sich eine effektive Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht verändert.

Die Struktur des durchstimmbaren Plasmonenresonators hat vorzugsweise die Plasmonenresonanzschicht, die zwei Schichtsegmente aufweist. Vorderseiten der zwei Schichtsegmente stehen einander gegenüber und bilden feldverstärkende Bereiche. Das Detektionsvolumen ist durch eine Lücke zwischen den Vorderseiten gebildet. Die Feldverstärkung wird durch ein Bereitstellen der zwei Vorderseiten als offene Flächen erreicht. In einer vorteilhaften Variante dieser Ausführungsform haben die zwei Schichtsegmente, gesehen aus einer Draufsicht, jeweils die Form eines Keils und sind zusammen zum Formen einer Schleifen-förmigen Konfiguration angeordnet. In einer bevorzugten Implementierung dieser Variante entspricht die Keilabschnittsenden-Länge der Hälfte einer Resonanzwellenlänge, eine Flächenenden-Breite ungefähr einem Zehntel der Wellenlänge, und ein Abstand der Flächenenden voneinander ist ungefähr einem Bruchteil der Wellenlänge.
Für eine gegebene Resonatorgeometrie wird die Resonanzfrequenz durch die Eigenschaften der Ladungsträger (Trägerdichte und die effektive Masse) variiert. Dies stimmt auch für den Fall, in dem für gegebene Ladungsträgereigenschaft die Geometrie des Resonators die Resonanzfrequenz definiert und daraufhin durch ein Ändern der Geometrie des Resonators durchgestimmt werden kann.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Plasmonenresonator ein geometrischer Resonator, der ein Ändern der Trägereigenschaften erlaubt, um eine Durchstimmbarkeit der Resonanzfrequenz zu erhalten. Die Resonanzfrequenz des gegebenen Resonators kann durch ein Ändern der Dichte der freien Ladungsträger (geeigneter Elektronen) variiert werden, wobei der erreichbare Frequenzbereich durch eine Dotierung während der Herstellung des Plasmonenresonators beeinflusst werden kann. Eine andere Art, die Resonanzfrequenz zu ändern, ist ein Verändern der effektiven Masse der freien Ladungsträger. Diese kann durch ein Variieren der Gitterbelastung in dem Plasmonenresonator beeinflusst werden.
In einer Ausführungsform hat das Trägersubstrat eine Öffnung, die einen Unterseitenabschnitt der Plasmonenresonanzschicht auf einer zweiten Substratseite gegenüberliegend zu einer den Plasmonenresonanzbereich aufweisenden ersten Substratseite freilegt.
Das Trägersubstrat ist vorzugsweise aus Silizium gemacht. Geeignetes Silizium (100) wird als das Trägersubstrat genutzt. Andere Halbleitermaterialien können als Trägersubstrat genutzt werden, abhängig von dem aktiven Material, das in der Resonanzschicht genutzt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorgerät bereitgestellt. Das Sensorgerät weist mindestens einen durchstimmbaren Plasmonenresonator gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung auf. Das Sensorgerät weist weiterhin eine Detektionskammer auf, die ein mit einem zu prüfenden dielektrischen Fluid zu füllendes Detektionsvolumen umgibt, für eine Detektion von Teilchen in dem zu prüfenden dielektrischen Fluid. Das dielektrische Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein gasförmiges dielektrisches Medium sein.
Um die Leistung des Sensorgeräts zu belegen, weist eine bevorzugte Ausführungsform eine Vielzahl von gerichteten Nanostrukturen auf, die sich von einem Grund der Sensorkammer in das Detektionsvolumen erstrecken.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung bereitgestellt. Die Sensoranordnung weist auf

– ein Sensorgerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung oder einer seiner Ausführungsformen,
– einen durchstimmbaren Emitter, der angeordnet und ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung in einem mit dem gezeigten Plasmonenresonanzbereich des Sensorgerätes verbundenen Sub-Terahertz bis mittelinfraroten Frequenzbereich bereitzustellen; und
– einen Detektor, der angeordnet und ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung in dem durch den Emitter bereitgestellten THz bis mittelinfraroten Frequenzbereich zu detektieren und durch den Plasmonenresonanzbereich des Sensorgerätes entweder zu reflektieren oder zu transmittieren.

Die Sensoranordnung des dritten Aspekts der Erfindung teilt die Vorteile der vorherigen Aspekte der Erfindung. Sie ist zum Nutzen in dem Sub-Terahertz bis Mittelinfrarotspektralbereich des elektromagnetischen Spektrums geeignet und wird vorzugsweise in dem Terahertz-Frequenzbereich genutzt.
Der Ausdruck Sub-Terahertz wird zum Bezeichnen von Frequenzen genutzt, die in dem Bereich zwischen 0,3 und weniger als 1 THz liegen. Der mittelinfrarote Frequenzbereich deckt Frequenzen von bis zu 100 THz ab, wobei in einigen Ausführungsformen eine maximale Frequenz bei etwa 40 THz liegt.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines durchstimmbaren Oberflächen-Plasmonenresonators zum Betrieb bei Frequenzen in einem infraroten Frequenzbereich gebildet. Das Verfahren weist auf

– Herstellen einer Plasmonenresonanzschicht aus einem kristallinen Halbleitermaterial auf einem Trägersubstrat,
– einen Plasmonenresonanzbereich der Plasmonenresonanzschicht einem mit einem dielektrischen Fluid zu füllenden Detektionsvolumen aussetzen;
– Herstellen eines integrierten Durchstimmgerätes, das angeordnet und ausgebildet ist,
– eine Dichte freier Ladungsträger in dem Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht zu ändern oder einen effektiven Massebetrag der freien Ladungsträger in dem Plasmonenresonanzbereich der Plasmonenresonanzschicht durch Anwendung einer Steuerspannung auf eine oder mehrere Durchstimmungssteuerelektroden des Durchstimmgerätes zu ändern, und
– dadurch eine Plasmonenfrequenz von Plasmonenpolaritonen in dem Plasmonenresonanzbereich auf einen gewünschten Plasmonenfrequenzwert innerhalb eines Plasmonenfrequenzdurchstimmintervalls festzulegen, zur Resonanzanregung von Plasmonen-Polaritonen durch einfallende elektromagnetische Wellen einer dem festgelegten Plasmonenfrequenzwert entsprechenden Frequenz.

Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur;
2 eine schematische Illustration einer zweiten Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur; und
5 eine schematische Querschnittsansicht eines auf einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur basierenden Sensorgerätes.
6 ist ein Flussdiagramm eines Herstellungsprozesses 600 zum Bilden eines durchstimmbaren Plasmonenresonators zum Betreiben mit Frequenzen in einem infraroten Frequenzbereich.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur 100. Die Illustration der Plasmonenresonatorstruktur 100 ist schematisch und dahingehend vereinfacht, dass nur die Schichten, die wichtig sind zum Erklären der allgemeinen Gerätestruktur, gezeigt sind.
Die Plasmonenresonatorstruktur 100 weist eine Grundschicht 102 auf, die ein Trägersubstrat bildet. Die Grundschicht 102 kann beispielsweise aus Silizium gemacht sein, geeignetermaßen Silizium (100) oder Siliziumdioxid. Eine erste Kontaktschicht 104 ist auf der Grundschicht 102 angeordnet, gefolgt in einer Stapelungsrichtung durch eine piezoelektrische Belastungsschicht 106 und eine zweite Kontaktschicht 108. Die erste und zweite Kontaktschicht 104 und 108 sind aus Metall gemacht. Sie sind mit einem externen Durchstimmungssteuergerät (nicht gezeigt) verbindbar, von dem sie eine Beanspruchungssteuerspannung empfangen können.
Auf der zweiten Kontaktschicht 108 ist eine Plasmonenresonanzschicht 110 angeordnet. Die Plasmonenresonanzschicht ist aus einem Halbleitermaterial gemacht. Geeignete Halbleitermaterialien für die Plasmonenresonanzschicht sind Gruppe-IV-Halbleiter, wie etwa Silizium, Germanium oder eine Silizium-Germanium-Legierung, ein III-V-Halbleitermaterial oder Graphen. Das Halbleitermaterial der Plasmonenresonanzschicht 110 ist dotiert und hat eine bestimmte Volumendichte N von freien Ladungsträgern. Die Trägerdichte N liegt geeigneterweise in einem Bereich zwischen 1 × 10¹⁷ cm^–3 und 5 × 10²⁰ cm^–3.
Während im Allgemeinen die freien Ladungsträger entweder Elektronen oder Löcher sein können, nutzen die vorliegenden nicht einschränkenden Beispiele freie Elektronen. Die Plasmonenresonanzschicht 110 ist in direktem Kontakt mit dem darunterliegenden Stapel, der die piezoelektrische Belastungsschicht 106, die zwischen den Kontaktschichten 104 und 108 eingebettet ist, aufweist.
Der Schichtstapel der piezoelektrischen Belastungsschicht 106, eingebettet zwischen den Kontaktschichten 104 und 108, bildet ein integriertes Durchstimmgerät, das dazu ausgebildet und angeordnet ist, eine Belastung auf das Kristallgitter der Plasmonenresonanzschicht 110 mit einem Belastungsbetrag auszuüben, der von der auf die piezoelektrische Belastungsschicht 106 über die Kontaktschichten 104 und 108 angewendete Beanspruchungssteuerspannung abhängt. Durch piezoelektrische Verformung der piezoelektrischen Belastungsschicht 106, wird ein in der Plasmonenresonanzschicht 110 vorliegender Gitterbeanspruchungsbetrag eingebracht, wodurch wiederum eine effektive Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht 110 geändert wird. Die Änderung der effektiven Masse der freien Ladungsträger bestimmt die Plasmonenfrequenz des Plasmas freier Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht gemäß der oben angegebenen Drude-Lorentz-Relation.
Im Betrieb des Halbleiterplasmonenresonators 100 wird die piezoelektrische Belastungsschicht 106 dadurch als eine Durchstimmschicht zum Durchstimmen der Resonanzfrequenz des Resonators zu einem gewünschten Wert durch ein Durchstimmen der effektiven Masse der Träger genutzt. Plasmonen-Polaritonen in der Plasmonenresonanzschicht 110 können angeregt werden durch ein Auftreffen elektromagnetischer Strahlung einer entsprechenden Frequenz, die durch eine externe Strahlungsquelle bereitgestellt wird. Die Resonanzanregung der Plasmonen-Polaritonen erlaubt es, ein angrenzend an die Plasmonenresonanzschicht angeordnetes und mit einem zu testende Teilchen beinhaltenden dielektrischen Fluid gefülltes Detektionsvolumen einer verstärkten Feldstärke auszusetzen, die eine typische Eigenschaft von Plasmonen-Polaritonen ist. Zu testende Teilchen, die eine charakteristische Frequenzantwort innerhalb eines spektralen Durchstimmintervalls der Plasmonenresonanzfrequenz zeigen, können somit mit großer Sensitivität detektiert und identifiziert werden. Diese große Sensitivität ist besonders vorteilhaft auf dem Gebiet der Biodetektionsanwendungen, auf dem sie das Sensitivitätslevel zum Detektieren selbst eines einzelnen Biomoleküls erreicht.
2 ist eine schematische Illustration einer zweiten Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur 200. Die durchstimmbare Halbleiterplasmonenresonatorstruktur 200 aus 2 bildet einen lateralen PIN-Übergang mit einer p-dotierten Halbleiterschicht 202, einer intrinsischen Halbleiterschicht 204 und einer n-dotierten Halbleiterschicht 206. In dieser Ausführungsform ist die Plasmonenresonanzschicht durch die Halbleiterschicht 204 mit intrinsischer Leitfähigkeit gebildet, und das integrierte Durchstimmgerät ist durch die p-dotierte Halbleiterschicht 202 als eine erste Durchstimmschicht und die n-dotierte Halbleiterschicht 206 als eine zweite Durchstimmschicht gebildet. Die Durchstimmschichten sind mit entsprechenden ersten und zweiten Durchstimmungssteuerelektroden 208 und 210 verbunden. Somit ist die intrinsische Halbleiterschicht 204, die die Plasmonenresonanzschicht bildet, seitlich zwischen der ersten und zweiten Durchstimmschicht eingebettet, um eine PIN-Struktur zu bilden. Dies erlaubt ein Steuern der Konzentration der freien Ladungsträger in der intrinsischen Halbleiterschicht 204 mit einem Ladungsträgerdichtebetrag, der von einer durch eine Durchstimmungssteuerspannung 212 über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode 208 und 210 bereitgestellten Steuerspannung abhängt.
Die Steuerspannung ist in einer Variante dieser Ausführungsform als Sperrvorspannung angewendet. Dies erlaubt ein Steuern der Dichte der freien Ladungsträger in der intrinsischen Halbleiterschicht 204 durch ein Vergrößern oder Verkleinern der Verarmungsbreite, wobei die anfänglichen (V = 0) Dotierungskonzentrationsbeträge der p-dotierten Halbleiterschicht 202 und der n-dotierten Halbleiterschicht 206 vorsehen, dass die maximale Dichte freier Ladungsträger und somit das Maximum des durchstimmbaren Plasmonenfrequenzbereichs in der intrinsischen Halbleiterschicht 204 vorliegt.
In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform ist die Steuerspannung als Vorwärtsspannung angewendet. Dies erlaubt ein Ansteigen der Dichte freier Ladungsträger in der intrinsischen Halbleiterschicht 204 mit ansteigendem Betrag der Steuerspannung.
In beiden Varianten entspricht die steuerbare Variation des Ladungsträgerdichtebetrags in derjenigen intrinsischen Halbleiterschicht 204, die die Plasmonenresonanzschicht bildet, einer steuerbaren Variation der Plasmonenresonanzfrequenz.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur 300.
Wie in 1 und 2 ist die Illustration der Plasmonenresonatorstruktur 300 schematisch und dahingehend vereinfacht, dass nur diejenigen Schichten, die von Wichtigkeit zum Erklären der allgemeinen Gerätstruktur sind, gezeigt werden.
Die Plasmonenresonatorstruktur 300 ist im Wesentlichen eine Kombination der Ausführungsformen aus 1 und 2. Sie weist eine Grundschicht 302, eine erste Kontaktschicht 304, eine piezoelektrische Belastungsschicht 306 und eine zweite Kontaktschicht 308 auf. Die erste und zweite Kontaktschicht 104 und 108 sind mit einem externen Durchstimmungssteuergerät 320 verbindbar, von dem sie eine Beanspruchungssteuerspannung empfangen können.
Auf der zweiten Kontaktschicht 308 ist eine Plasmonenresonanzschicht 310 angeordnet. Die Plasmonenresonanzschicht 310 ist aus einem intrinsischen Halbleitermaterial gemacht. Die Plasmonenresonanzschicht 310 ist in direktem Kontakt mit dem darunter liegenden Stapel, der die zwischen den Kontaktschichten 304 und 308 eingebettete piezoelektrische Belastungsschicht 306 aufweist.
Die Plasmonenresonanzschicht 310 bildet einen Teil eines lateralen PIN-Übergangs mit einer p-dotierten Halbleiterschicht 312, wobei die intrinsische Halbleiterschicht die Plasmonenresonanzschicht 310 und eine n-dotierte Halbleiterschicht 314 bildet.
Die p-dotierte Halbleiterschicht 312 bildet somit eine erste Durchstimmschicht, und die n-dotierte Halbleiterschicht 314 bildet eine zweite Durchstimmschicht. Die Durchstimmschichten sind mit entsprechenden ersten und zweiten Durchstimmungssteuerelektroden 316 und 318 verbunden. Somit ist die intrinsische Halbleiterschicht, die die Plasmonenresonanzschicht 310 bildet, seitlich zwischen der ersten und zweiten Durchstimmschicht eingebettet, um eine PIN-Struktur zu bilden.
Der Halbleiterplasmonenresonator 300 ermöglicht somit zwei Arten der Steuerung der Plasmonenfrequenz, die einzeln oder in Kombination miteinander zum Erreichen einer gewünschten Plasmonenfrequenz angewendet werden können. Der Schichtstapel der zwischen den Kontaktflächen 304 und 308 eingebetteten piezoelektrischen Belastungsschicht 306 bildet ein erstes integriertes Durchstimmgerät, das ausgebildet und angeordnet ist, um eine Belastung auf das Kristallgitter der Plasmonenresonanzschicht 310 mit einem Belastungsbetrag auszuüben, der von der über die Kontaktschichten 304 und 308 auf die piezoelektrische Belastungsschicht 306 angewendete Beanspruchungssteuerspannung abhängt. Durch piezoelektrische Deformierung der piezoelektrischen Belastungsschicht 306 wird ein in der Plasmonenresonanzschicht 310 vorliegender Gitterbeanspruchungsbetrag modifiziert, und im Gegenzug wird eine effektive Masse freier Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht 110 geändert. Die Änderung der effektiven Masse der freien Ladungsträger beeinflusst die Plasmonenfrequenz des Plasmas freier Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht gemäß der oben angegebenen Drude-Lorentz-Relation. Ein zweites integriertes Durchstimmgerät ist durch die p-dotierte Halbleiterschicht 310 und die n-dotierte Halbleiterschicht 314 gebildet. Dies erlaubt ein Steuern der Konzentration freier Ladungsträger in der intrinsischen Halbleiterschicht, wodurch die Plasmonenresonanzschicht 310 mit einem Ladungsträgerdichtebetrag gebildet wird, der von der durch eine durchstimmbare Spannungsquelle 322 über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode 316 und 318 bereitgestellte Steuerspannung abhängt. Die Ladungsträgerkonzentration und die effektive Masse können somit derart durchgestimmt werden, dass sie die Plasmonenfrequenz in die gleiche Richtung verschieben. Dies kann auch ein Wechseln der Polarität der Vorspannung für die piezoelektrische Beanspruchung einschließen.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur 400. Eine Plasmonenresonanzschicht 402 ist seitlich eingebettet in einen lateralen p-n-Übergang mit einer p-dotierten Halbleiterschicht 404 und einer n-dotierten Halbleiterschicht 406. Die Plasmonenresonanzschicht 402 ist aus zwei verschiedenen Halbleiterschichten 402.1 und 402.2 gemacht, die sich in ihrem Material und somit ihrer effektiven Masse unterscheiden.
Das vorliegende Beispiel zeigt zwei Plasmonenresonanzschichten mit zwei verschiedenen Schichten. Dennoch kann jede Anzahl von Schichten zum Erreichen einer gewünschten Vielfalt von Materialien in der Plasmonenresonanzschicht genutzt werden und somit eines gewünschten Bereichs der effektiven Masse. Ein Variieren der Stöchiometrie von binären, tertiären oder quartären Legierungen von III-V-Halbleitern oder von Gruppe-IV-Halbleitern führen zu Größenordnungen von Größenvariationen der effektiven Masse, die zusätzlich durch geeignete Dotierung während der Herstellung beeinflusst werden können.
Die p-dotierte Halbleiterschicht 404 bildet eine erste Durchstimmschicht, und die n-dotierte Halbleiterschicht 406 bildet eine zweite Durchstimmschicht. Die Durchstimmschichten sind mit einer entsprechenden ersten und zweiten Durchstimmungssteuerelektrode 408 und 410 verbunden.
Eine Art des Durchstimmens der Plasmonenfrequenz liegt in dem Auswählen einer gewünschten Subschicht 402.1 oder 402.2 zur Terahertz-Wechselwirkung, durch ein Betreiben des PN-Übergangs im Verarmungsmodus mit einer geeigneten Vorspannung unter Sperrvorspannungsbedingungen des PN-Übergangs und von einem Betrag der in der nicht ausgewählten Schicht erreichten Verarmung, während eine gewünschte Konzentration freier Ladungsträger in der ausgewählten Schicht erhalten bleibt. Die Vorspannung steuert somit eine Position und Breite des Verarmungsbereiches und wiederum den Querschnitt des plasmonischen Gebietes, wie es durch die elektromagnetische Strahlung gesehen wird.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines auf einer durchstimmbaren Halbleiterplasmonenresonatorstruktur basierenden Sensorgerätes 500. 5 ist auch eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Sensoranordnung.
Das Sensorgerät 500 weist mindestens einen durchstimmbaren Plasmonenresonator 502 gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen auf. Für kommerzielle Anwendungen werden Ausführungsformen des Sensorgerätes als Lab-on-Chip-Anordnungen mit einer großen Anzahl von einzelnen Sensorgeräten identisch zu dem in 5 gezeigten Sensorgerät 500 gemacht.
Es sei angemerkt, dass Details der strukturellen Implementierung des durchstimmbaren Plasmonenresonators 502 nicht in 5 gezeigt sind. Der durchstimmbare Plasmonenresonator 502 ist grafisch durch eine Plasmonenresonanzschicht 506 auf einem Trägersubstrat 504 dargestellt. Das Trägersubstrat 504 ist auf seiner Rückseite zum Aufweisen einer Aussparung 505 hergestellt, die eine Rückfläche 506.1 der Plasmonenresonanzschicht auf dessen Rückseite und unter einer Detektionskammer 508 freilegt.
Die Detektionskammer 508 bildet ein begrenztes Detektionsvolumen, das mit einem dielektrischen Fluid zu füllen ist, das zu detektierende und über ein spektroskopisches THz-Verfahren zu identifizierende Teilchen beinhaltet. Seitenwände 514 nahe des Grundes der Detektionskammer 508 sind beispielsweise aus Siliziumdioxid gemacht.
Ein Grund der Detektionskammer 508 ist durch eine obere Fläche 506.2 der Plasmonenresonanzschicht 506 gebildet. Kleine spitzenartige Strukturen 516 haben eine vertikale Ausdehnung von weniger als 1 Mikrometer und sind auf der oberen Fläche 506.2 der Plasmonenresonanzschicht 506 gebildet, um bei einem Fangen von Teilchen, wie etwa zu detektierender und über das Sensorgerät 500 zu identifizierender Biomoleküle 518 zu helfen. Auf diese Weise sind die Teilchen in dem THz / IR Nahfeld „hot spot“ Gebiet konzentriert, um höchste Sensitivität auch im Falle ultraverdünnter Moleküle in der Probe zu erreichen.
Das Trägersubstrat 504 ist mit Kontaktschichten 510 und 512 auf seiner Grundseite bereitgestellt. Die Kontaktschichten 510 und 512 werden zum Anwenden einer Durchstimmungssteuerspannung auf einem integrierten Durchstimmgerät (nicht gezeigt) und somit der Plasmonenfrequenz in der Plasmonenresonanzschicht 506 genutzt.
Im Betrieb stellt eine externe Quelle 520 von elektromagnetischer Strahlung in dem THz- bis Mittelinfrarotspektralbereich Resonanzanregungen der Plasmonenpolaritonen mit einer gewünschten Plasmonenfrequenz bereit, die durch eine geeignete auf das Durchstimmgerät angewendete Durchstimmung gesteuert wird, wodurch die Plasmonenresonanzfrequenz der Plasmonenresonanzschicht 506 festgelegt wird. Entsprechend einer vergrößerten Feldstärke der Plasmonen-Polaritonen nahe der oberen Fläche 506.1 der Plasmonenresonanzschicht, sind die Teilchen 518 einer besonders großen Feldstärke ausgesetzt und eine elektromagnetische Strahlung, die eine Frequenzantwort der Teilchen 518 beinhaltet, wird durch einen Detektor 522 detektiert und zur spektralen Analyse aufgenommen.
Das Sensorgerät 500 bildet eine Plattform, die mit Standard CMOS/BiCMOS-Verfahren hergestellt werden kann, die die Herstellungskosten solch einer Sensorplattform beträchtlich reduziert.
Der Sub-THz- bis Mittelinfrarotbereichbetrieb der dotieren Halbleiterplasmonenstrukturen entspricht Betriebswellenlängen im Mikrometerbereich. Diese passt zu den Abmaßen von biologischem Material (Molekülen und Zellen), das in diesem Frequenzbereich detektiert werden kann.
6 ist ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens 600 zum Herstellen eines durchstimmbaren Plasmonenresonators zum Betreiben bei Frequenzen in einem infraroten Frequenzbereich.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf. In einem Schritt 602 ist eine aus einem kristallinen Halbleitermaterial gemachte Plasmonenresonanzschicht auf einem Trägersubstrat hergestellt. In einem Schritt 604 ist ein Plasmonenresonanzbereich der Plasmonenresonanzschicht einem mit einem dielektrischen Fluid zu füllenden Detektionsvolumen ausgesetzt. Weiterhin wird in einem Schritt 606 ein integriertes Durchstimmgerät hergestellt. Es ist monolithisch in den Plasmonenresonator integriert. Die Reihenfolge der Schritte 602 bis 606 kann gemäß Besonderheiten einer gewünschten Ausführungsform der Herstellung geändert werden. Gewöhnliche CMOS/BiCMOS-Verfahren können für die Fabrikation genutzt werden, was die Herstellungskosten solch eines Resonators zum Bilden einer Sensorplattform beträchtlich reduziert.

Claims

Durchstimmbarer Plasmonenresonator, aufweisend – eine Plasmonenresonanzschicht aus Graphen, einem kristallinen Gruppe-IV-Halbleitermaterial oder einem kristallinen Gruppe-III-V-Halbleitermaterial und das auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei die Plasmonenresonanzschicht einen Plasmonenresonanzbereich hat, der einem Detektionsvolumen ausgesetzt ist – ein Durchstimmgerät, das in den Plasmonenresonator integriert ist und angeordnet und ausgebildet ist, – eine freie Ladungsträgerdichte im Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht zu ändern oder einen effektiven Massenbetrag der freien Ladungsträger in dem Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht durch Anwendung einer Steuerspannung auf eine oder mehrere Durchstimmungssteuerelektroden des Durchstimmgerätes zu ändern, und – somit eine Plasmonenfrequenz der Plasmonen-Polaritonen in dem Plasmonenresonanzbereich auf einen gewünschten Plasmonenfrequenzwert innerhalb eines Plasmonenfrequenzdurchstimmintervalls festzusetzen, für eine Resonanzanregung von Plasmonen-Polaritonen durch einfallende elektromagnetische Wellen einer dem festgesetzten Plasmonenfrequenzwert entsprechenden Frequenz.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß Anspruch 1, wobei – die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht mit intrinsischer Leitfähigkeit ist, – das Durchstimmgerät eine durch eine erste dotierte Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart gebildete erste Durchstimmschicht und eine durch eine zweite dotierte Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart entgegengesetzt zu der ersten Leitfähigkeitsart gebildete zweite Durchstimmschicht aufweist, wobei die erste und zweite Durchstimmschicht jeweils mit einer entsprechenden ersten oder zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind, und wobei – die Plasmonenresonanzschicht zwischen der ersten und zweiten Durchstimmschicht angeordnet ist, um eine PIN-Struktur zu bilden, wodurch eine Einbringung freier Ladungsträger in die Plasmonenresonanzschicht mit einem Dichtebetrag ermöglicht ist, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode angewendete Einbringungssteuerspannung abhängt.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß Anspruch 1, wobei – die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart ist, – das Durchstimmgerät eine durch eine dotierte Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart entgegensetzt zu der ersten Leitfähigkeitsart gebildete Durchstimmschicht aufweist, wobei die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht jeweils mit einer entsprechenden ersten oder zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind, und wobei – die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht zum Bilden eines PN-Übergangs angeordnet sind, wobei der Plasmonenresonanzbereich unter Anwendung einer maximalen Sperrvorspannung in einer Verarmungszone liegt und eingebrachte freie Ladungsträger mit einem Dichtbetrag beinhaltet, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode angewendete Einbringungssteuerspannung abhängt.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß Anspruch 1, wobei – die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart ist, – das Durchstimmgerät eine durch eine Metallschicht gebildete Durchstimmschicht aufweist, wobei die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht jeweils mit einer entsprechenden ersten oder zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind, und wobei – die Plasmonenresonanzschicht und die Durchstimmschicht zum Bilden eines Schottky-Übergangs angeordnet sind, wobei der Plasmonenresonanzbereich unter Anwendung einer maximalen Sperrvorspannung in einer Verarmungszone liegt und eingebrachte freie Ladungsträger mit einem Dichtebetrag beinhaltet, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode angewendeten Einbringsteuerspannung abhängt.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß Anspruch 1, wobei das Durchstimmgerät eine piezoelektrische Belastungsschicht aufweist, die ausgebildet und angeordnet ist, piezoelektrisch verformt zu werden und dadurch eine Belastung auf ein Kristallgitter der Plasmonenresonanzschicht mit einem Druckbetrag auszuüben, der von einer Beanspruchungssteuerspannung abhängt, die auf die piezoelektrische Belastungsschicht über mindestens eine Beanspruchungssteuerelektrode angewendet wird, wodurch ein vorliegender Gitterbeanspruchungsbetrag in der Plasmonenresonanzschicht geändert wird und im Gegenzug sich eine effektive Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht verändert.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß Anspruch 4, wobei die Belastungsschicht zwischen dem Trägersubstrat und der Plasmonenresonanzschicht angeordnet ist.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß Anspruch 1, wobei die Plasmonenresonanzschicht verschiedene Materialzusammensetzungen in verschiedenen seitlichen Abschnitten hat, wobei die verschiedenen Materialzusammensetzungen mit verschiedenen effektiven Massenbeträgen der freien Ladungsträger in den entsprechenden verschiedenen seitlichen Abschnitten verbunden sind.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß Anspruch 1, wobei – die Plasmonenresonanzschicht eine Halbleiterschicht mit einer intrinsischen Leitfähigkeit ist, – das Durchstimmgerät eine durch eine erste dotierte Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeitsart gebildete erste Durchstimmschicht und eine durch eine zweite dotierte Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitsart entgegengesetzt zu der ersten Leitfähigkeitsart gebildete zweite Durchstimmschicht aufweist, wobei die erste und zweite Durchstimmschicht jeweils mit einer Entsprechenden von einer ersten und zweiten Durchstimmungssteuerelektrode verbunden sind, – die Plasmonenresonanzschicht zwischen der ersten und zweiten Durchstimmschicht angeordnet ist, wodurch eine Einbringung freier Ladungsträger in die Plasmonenresonanzschicht mit einem Dichtebetrag erlaubt ist, der von einer über die erste und zweite Durchstimmungssteuerelektrode angewendete Einbringungssteuerspannung abhängt, und wobei – das Durchstimmgerät weiterhin eine piezoelektrische dritte Durchstimmschicht aufweist, die ausgebildet und angeordnet ist, piezoelektrisch verformt zu werden und dadurch eine Zugbelastung auf die Plasmonenresonanzschicht auszuüben mit einem Belastungsbetrag, der von einer Beanspruchungssteuerspannung abhängt, die auf die Durchstimmschicht über mindestens eine Beanspruchungssteuerelektrode angewendet ist, wodurch ein in der Plasmonenresonanzschicht vorliegender Gitterbeanspruchungsbetrag geändert wird und im Gegenzug sich eine effektive Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonenresonanzschicht verändert.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plasmonenresonanzschicht zwei Schichtsegmente aufweist, wobei Vorderseiten der zwei Schichtsegmente einander gegenüberstehen und feldverstärkende Bereiche bilden, wobei das Detektionsvolumen durch eine Lücke zwischen den Vorderseiten gebildet ist.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Trägersubstrat eine Öffnung hat, die einen Unterseitenabschnitt der Plasmonenresonanzschicht auf einer zweiten Substratseite gegenüberliegend zu einer den Plasmonenresonanzbereich aufweisenden ersten Substratseite freilegt.
Durchstimmbarer Plasmonenresonator gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Trägersubstrat aus Silizium gemacht ist.
Sensorgerät, das mindestens einen durchstimmbaren Plasmonenresonator gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche und eine Detektionskammer aufweist, die ein mit einem zu prüfenden dielektrischen Fluid zu füllendes Detektionsvolumen umgibt, für eine Detektion von Teilchen in dem zu prüfenden dielektrischen Fluid.
Sensorgerät gemäß Anspruch 12, aufweisend eine Vielzahl von gerichteter Nanostrukturen, die sich von einem Grund der Sensorkammer in das Detektionsvolumen erstrecken.
Sensoranordnung, aufweisend, – Sensorgerät gemäß Anspruch 12 oder 13 – einen durchstimmbaren Emitter, der angeordnet und ausgebildet ist, auf den freigelegten Plasmonenresonanzbereich des Sensorgerätes einfallende elektromagnetische Strahlung in einem infraroten Frequenzbereich bereitzustellen; und – einen Detektor, angeordnet und ausgebildet, elektromagnetische Strahlung in dem durch den Emitter bereitgestellten infraroten Frequenzbereich zu detektieren und durch den Plasmonenresonanzbereich des Sensorgerätes entweder zu reflektieren oder zu transmittieren.
Verfahren zum Herstellen eines durchstimmbaren Plasmonenresonators zum Betrieb mit Frequenzen in einem infraroten Frequenzbereich, das Verfahren aufweisend – Herstellen einer Plasmonenresonanzschicht aus einem kristallinen Halbleitermaterial auf einem Trägersubstrat, – einen Plasmonenresonanzbereich der Plasmonenresonanzschicht einem mit einem dielektrischen Fluid zu füllenden Detektionsvolumen aussetzen; – Herstellen eines monolithisch integrierten Durchstimmgerätes, das angeordnet und ausgebildet ist, – eine Dichte freier Ladungsträger in dem Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht zu ändern oder einen effektiven Massebetrag der freien Ladungsträger in dem Plasmonenresonanzbereich der Resonanzschicht durch Anwendung einer Steuerspannung auf eine oder mehrere Durchstimmungssteuerelektroden des Steuergerätes zu ändern, und – dadurch eine Plasmonenfrequenz von Plasmonen-Polaritonen in dem Plasmonenresonanzbereich auf einen gewünschten Plasmonenfrequenzwert innerhalb eines Plasmonenfrequenzdurchstimmintervalls festzulegen, zur Resonanzanregung von Plasmonen-Polaritonen durch einfallende elektromagnetische Wellen einer dem festgelegten Plasmonenfrequenzwert entsprechenden Frequenz.