SiC，宽带隙半导体材料平台SiC的感应性能研究

摘要

研究了基于宽带隙半导体，碳化硅（SiC）的表面等离子体共振（SPR）的波导传感器的感测性能。与其他波导传感器相比，SiC材料的大带隙能量允许传感器在可见光和近红外波长范围内操作，而预期通过薄金膜的SPR效果来提高灵敏度。使用有效的指数法研究了传感器处于各种波长的传感器的限制因子，得到了分析物的折射率。由于分析物类型和浓度的变化被折射率的变化反射，因此可以通过在不同折射率下的限制因子光谱的谐振波长的转变来评估感测性能。结果表明，谐振波长的偏移表明了线性特性。可以从1.338〜1.348的折射率获得1928nm / Riu（折射率单元）偏移的敏感性，这吸引了研究兴趣，因为大多数生物分析在该范围内。

1.介绍

在临床诊断，药物检测，食品安全和环境健康领域[1-4.等等，在水，血液或其他载体中的生物和化学分析物的鉴定和定量，以及接口的相互作用，非常重要。已经开发了各种传感方法，专注于感测精度，灵敏度和实时检测的性能[5.-7.］．在这些传感技术中，表面等离子体共振(SPR)技术已被证明在无标记检测生物分析物(如病毒、细菌、抗体和抗原)方面非常强大[8.-10.］．SPR传感器对传感器和分析物之间接口处的折射率的变化非常敏感[11.，从而能够定量分析物的浓度及其变化。表格1列出一些典型生物分析物的折射率，吸引了广泛的研究兴趣。在该折射率范围内为1.338〜1.348，SPR传感器如棱镜耦合器[12.]及光栅耦合器[13.] 已经汇报过。它们测量共振角度或相位的偏移，以表征这些分析物中浓度的折射率变化。

在本文中，我们研究了一种基于宽带隙材料平台，碳化硅(SiC)的波导SPR传感器，这是广泛研究的电子器件应用[14.］．通过在基本横磁模式下调查传感器的限制因子（TM）来表征感测性能。_0.）在不同的波长和折射率下，比较了谐振波长的谐振波长的变化。当用于用水或水基培养基中的化学和生物传感时，在诸如硅（Si）的常规材料上更希望，因为大带隙能量（2.2EV在3C-SiC PolyType中的1.12eV中，Si）允许SiC波导传感器以可见光和近红外光范围内操作。这一优势有效地克服了近红外范围内的大吸收系数，这是Si面临的挑战，其吸收强度低1.1 μ.m。SiC的其他优点包括第一阶电光（EO）效应（尖卷效应）和大的EO系数（比GaAs高70％）[15.[波导优选。此外，优异的材料性质如化学惰性[16.]，辐射硬度[17.]，以及SiC器件制造与标准Si器件制造之间的兼容性，适用于制造和芯片集成。

2.设备设计和结构

基于SiC波导的SPR传感器结构如图所示1。SiC波导层的厚度为100nm。由于SiC的折射率较小（)与Si (），3 μ.m厚的sio₂在SiC波导和Si衬底之间加入具有1.45折射率的隔离层。这个sio.₂图层足够厚，用于光学隔离，并降低由于Si衬底泄漏引起的损耗。在SiC层的顶部，在该研究中为50nm厚的金（Au）的薄金属膜进行了SPR效果。对于器件制造，SiC层可以在SiO上生长₂通过化学气相沉积（CVD）[18.和Au薄膜的热蒸发或电子束蒸发。

3。结果与讨论

当入射光（本研究中的633nm）施加在波导传感器上时，引导模式的光被限制在SiC波导层中。作为入射光的一小部分的渐逝波，在周围介质中传播，具有低折射率，即分析物。这导致输出功率的衰减。对于波导结构，渐逝波吸收遵循Lambert-Beer的定律，吸收是 [19.] 如下： 在哪里当在分析物中没有吸收渐逝波时，在波导中传输的光强度是在波导中传输的，是吸收的光强度，是吸收系数，是波导长度，和是分析物浓度。改变导致折射率的变化。限制因子是表示在分析物中限制的光功率与总入射光功率的比率。自敏感度以来波导传感器的特性主要表现为吸光度的变化在分析物中浓度的变化当与(1[很明显，较高的限制因子表示波导传感器的更好敏感性。

SiC波导顶部有Au薄膜，表面等离子体增强效应[20.]在光学配电中占主导地位。如果满足引导模式和表面等离子体波之间的耦合（谐振）条件，则通过渐逝波在渐逝波处激发了金属和分析物之间的表面等离子体波，即当它们的传播常数相等时，即当它们的传播常数是相等的。由于这种共振的结果，从入射光的一部分能量被转移到表面等离子体波，导致输出光强度（功率）的降低。当分析物的折射率改变时，由于表面等离子体波的场再分布，耦合条件也改变。这导致谐振波长（或频率）的偏移。这种现象可以用于通过比较每个折射率单元（RIU）的谐振波长的偏移来评估SPR波导传感器的灵敏度。在本研究中，有效的指标方法（EIM）[21.]，利用COMSOL Multiphysics软件对SiC SPR传感器结构进行建模，得到不同折射率下的谐振波长。采用完美匹配层作为外边界条件截断计算区域，同时采用连续的内边界条件。由于表面等离子体是横向磁偏振的，因此只用TM光来激发表面等离子体。我们研究了基本的TM模式(TM_0.）考虑到TM的最低损失，在这项研究中_0.波导的模式。此外，我们还专注于1.338〜1.348的折射率，因为吸引研究兴趣的大多数生物分析都是如表所示1。在模型中考虑的另一个重要因素是，无定形SiC的折射率随着入射光的波长而变化。

数字2显示了SiC SPR波导传感器结构的矛盾因子与不同入射光波长的非SPR结构的值和分析物中的折射率相比= 1.338〜1.348。如前一节所述所解释的谐振波长处的限制因子峰值。对于SPR结构，0.002的单元的折射率的增加导致谐振波长的平均偏移约3.8nm朝向较长波长。这等于1900 nm / Riu（折射率单位）。非SPR传感器示出了类似于SPR传感器的感测行为，但换档较小。注意，在每个折射率值下，SPR和非SPR结构中的谐振波长不同。这是由于传感器配置决定的不同的谐振条件。它也清楚地显示在图中2SPR传感器的约束因子谱带宽度比非SPR传感器的约束因子谱带宽度要窄得多，这使得传感器的分辨率更高。这是因为在SPR传感器中，波导模式与表面等离子体模式之间的共振耦合效应决定了传感器的传感性能。在远离谐振波长处，耦合效应减弱，约束因子迅速降低，从而使光谱变窄，分辨率提高。在非spr传感器中，虽然倏逝场分量会随着折射率的变化而变化，但该分量只占波导中传播光总量的一小部分。因此，在非spr传感器中，由于折射率变化导致的约束因子降低相对较小，从而产生较大的光谱宽度。还需要指出的是，分析物的厚度及其变化也会影响谐振波长，导致第二表面等离子体模截止波长在特定波长范围内发生漂移[22.］．在这项研究中，我们仅关注折射率的变化，传感介质的厚度为5 μ.m。

数字3.总结谐振波长的偏移作为SPR和非SPR SIC传感器中的折射率的函数。在折射率范围内= 1.338〜1.348，换档清晰地显示了线性特性，灵敏度来自SPR传感器的1928nm / Riu，来自非SPR传感器结构的1542 nm / Riu，即近20％的改进。有必要指出，与表面等离子体波的入射光耦合不仅取决于折射率，而且尤其是传感器结构，尤其是波导层和金属膜的厚度。数字4.示出了具有各种SiC波导层厚度的SiC SPR传感器的限制因子的光谱。分析物的折射率为1.344。它清楚地表明，当SiC波导层厚度增加时，谐振波长移动到更长的状态。每个波长的限制因子的绝对值也是SiC厚度的函数，该厚度已经在其他地方进行了研究[23.］．在本文中，我们选择用于SiC波导的100nm的厚度，以确保更大的限制因子和更低的材料生长成本。该研究还表明通过优化传感器设计，可以进一步提高谐振波长换档或传感器性能。考虑到波导结构的优异集成能力，简单的装置制造工艺，高灵敏度和SIC材料的优点，SiC SPR波导传感器对下一代化学和生物传感有前途。

4.结论

基于SiC波导的SPR光学传感器的感测性能通过分析物的各种折射率下限制因子的谐振波长移位。不同的分析物折射率代表分析物类型和浓度的变化。结果表明，随着折射率的变化，谐振波长的线性偏移。可以从SPR波导结构实现1928nm / Riu的灵敏度，比非SPR结构的灵敏度高20％。这种敏感性改善了SiC材料和波导配置的优点使SiC SPR传感器成为水或水基介质中新一代感测的非常有希望的候选者。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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