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通过原子层沉积法制备的等离激元氮化钛：一种低温合成途径

DOI：10.1063/1.5130889 期刊：Journal of Applied Physics 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 要将等离激元器件集成到工业中，必须开发可扩展且与CMOS兼容的等离激元材料。本工作报道了通过等离子体增强原子层沉积技术在c面蓝宝石上生长的具有高等离激元质量的氮化钛（TiN）。通过探究化学吸附时间、衬底温度和等离子体暴露时间对材料性能的影响，在低于500°C的温度下实现了低损耗、高金属性且等离激元频率低于500 nm的TiN。缩短化学吸附时间可缓解TS>375°C时的前驱体过早分解，而25秒的等离子体暴露时间则在降低杂质浓度与避免等离子体轰击导致的结构退化之间取得了平衡。在450°C衬底温度（与CMOS工艺兼容）、0.5秒化学吸附时间和25秒等离子体暴露条件下生长的85 nm厚TiN薄膜，展现出高达2.8的优异等离激元品质因数（jε0/ε00j）和31 μΩ·cm的电阻率。得益于质量提升，在TiN薄膜中制备的亚波长孔径显示出非凡的透射特性。
作者： Dhruv Fomra，Ray Secondo，Kai Ding，Vitaliy Avrutin，Natalia Izyumskaya，ümit ?zgür，Nathaniel Kinsey
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

通过等离子体增强原子层沉积法，在低于500°C的温度下于c面蓝宝石上生长出具有高等离激元品质的氮化钛(TiN)，从而开发出可扩展且与CMOS工艺兼容的等离激元材料。

研究成果

采用等离子体增强原子层沉积法（PE-ALD），在低于500°C的温度下于c面蓝宝石衬底上成功制备出具有高等离激元品质的氮化钛（TiN）薄膜，其等离激元品质因数（FoM）高达2.8，电阻率为31 μΩ·cm。优化后的生长条件包括：衬底温度450°C、化学吸附时间0.5秒、等离子体曝光时间25秒。该研究还证实了通过TiN薄膜中制造的亚波长孔径可实现非凡透射现象，凸显了TiN在实际等离激元器件应用中的潜力。

研究不足

该研究的局限性在于等离子体暴露时间延长会导致杂质浓度降低与缺陷密度增加之间的权衡，从而影响TiN薄膜的光学特性。此外，采用在约450°C温度下快速分解的TDMAT前驱体，可能会限制更高温度下薄膜的质量。

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