Untersuchung plasmonische Moden für die Nutzung in vollständig halbleiterbasierten MIR-Detektoren

• Antragsteller: Dr. Fritz Berkmann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537010567

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ich habe mich auf das Studium von plasmonischen Moden mit dem Ziel konzentriert, Halbleiterdetektoren zu entwickeln. Das Ziel ist es, zu verstehen, wie eine plasmonische Antenne eine maximale Anzahl an heißen Ladungsträgern in einem schmalen spektralen Bereich erzeugen kann, sodass die Antenne als plasmonisch verstärkter Photodiode fungieren kann. Daher wurde GeSn als möglicher Kandidat für die Anwendung in Halbleiter-Plasmoniksystemen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass GeSn einer der vielversprechendsten Kandidaten für die moderne Mid-IR-Plasmonik ist, während für den unteren Wellenlängenbereich des Mid-IR-Spektrums Ti untersucht wurde, da es vollständig CMOS-kompatibel ist. Um einen spektral schmalen Extinktionspeak zu erzielen, wurde die Kopplung einer lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (eng. Localised surface plasmon resonance: LSPR) und einer Rayleigh-Anomalie (RA) verwendet, die eine Oberflächenrasterresonanz (eng. Surface Lattice Resonance: SLR) bilden. Es wurde gezeigt, dass diese Moden optimiert werden können, um spektral schmale Merkmale zu erhalten. Da die tatsächliche Anzahl an aktivierten heißen Ladungsträgern stark von dem Dämpfungsmechanismus der plasmonischen Mode abhängt, muss die Form der plasmonischen Antennen untersucht werden, um Landau-Dämpfung zu begünstigen. Daher wurden 3D-Antennengeometrievariationen untersucht, um zu sehen, wie eine maximale elektrische Feldverstärkung erreicht werden kann. Gleichzeitig wurde ein Fertigungsschema entwickelt, das eine einfache Anpassung der Antennengeometrien ermöglicht. Für die abschließenden Experimente wurde ein Messaufbau im Labor von La Sapienza gebaut. Dieser Aufbau bestand aus einem QCL-IR-Laser, der in ein Cassegrain- Mikroskop eingespeist werden kann. In dieses Mikroskop kann ein He-Flow-Kryostat eingesetzt werden, um die Proben bei kryogenen Temperaturen zu messen. Für die elektrische Kontaktierung ist der Kryostat mit 24 elektrischen Leitungen ausgestattet, die über ein eigens dafür designte Switchbox mit einem Lock-In-Verstärker verbunden werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of material and geometry parameters on resonance linewidths of plasmonic modes in gratings made from highly doped Ge1− x Sn x. Journal of Physics D: Applied Physics, 57(43), 435103.
  Berkmann, Fritz; Povolni, Pavel; Schwarz, Daniel & Fischer, Inga A.