基于CMOS兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片及其制备方法和应用

本发明涉及光学微纳结构设计和片上集成微纳传感芯片，尤其涉及一种基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、光学传感芯片具有无标记、能实时检测生化物质等特性而被广泛应用到生物医学、食品检测和环境保护等领域。一般通过马赫曾德尔、环形振荡器、光子晶体或等离子体传感器等来实现传感检测效应。其中，等离子体共振传感技术是基于入射光在金属-电解质界面上引起的自由电子集合相干振荡运动来工作的。这些由共振而建立起来的电荷密度振荡常以传播式的表面等离子激元(spps)或局域式的表面等离子共振(lsprs)等形式发生。其中，spp会形成一个穿透进入周围几百纳米介质中按指数衰减的电场。这种瞬时逝去的电场(倏逝场)极易受到周围介质折射率变化的影响，当金属表面介质折射率发生改变时，用于激发表面等离子共振入射光的入射角度、波长、相位等也会随之改变，从而达到检测介质折射率变化的目的。

2、自1998年ebbesen等人报道了贵金属银亚微米孔阵列对穿过孔阵列的光产生增强的透射作用，在可见光-近红外区出现超乎寻常的零级透射光谱，而被广泛应用到折射率变化检测领域。在入射波长稍大于孔阵列周期时，透射光谱的零级透射率相较于和传统的小孔透射理论预言的数量大若干个数量级。因此，在金属膜上制备亚波长尺寸大小的孔阵列能对光的透射效率起到极大增强作用。研究发现通过改变亚波长孔阵列相关参数，如阵列周期、金属薄膜的厚度、孔的形状和尺寸、金属材料类型等技术参数，可以调控反射/透射峰位和反射/透射率的大小。在此理论基础之上，基于等离子体阵列结构的新型高性能器件如滤波器、传感器、偏振器等的研究开发成为可能，从而在生物传感、光学滤波、新型光源等领域有巨大的应用前景。

3、然而，当前等离子体光传感芯片大都是基于贵金属(如金、银等)展开研究的，虽然贵金属表现出良好的检测性能，但其不耐高温、不耐酸碱、较低的机械性能、以及cmos不兼容等问题驱使人们去探索更适合当前工业光传感器件发展的材料。

4、因此，急需开发等离子体特性突出、稳定耐用、cmos兼容、化学性能优异、生物相容性好、可以替代贵金属的等离子体材料。

5、有鉴于此，有必要设计一种基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对目前基于贵金属所开发的等离子体阵列传感器面临的问题，本发明的目的在于提供一种基于cmos兼容、热稳定性好、耐酸碱、生物相容性好的等离子体氮化物孔阵列高灵敏光传感芯片的设计、制备方法及其在折射率传感检测中的应用。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片，包括由下而上依次层叠设置的基底层、间隔层以及等离子体氮化物纳米孔阵列层；所述等离子体氮化物纳米孔阵列层为具有纳米孔的氮化物薄膜，所述纳米孔呈四方周期性阵列排列且贯穿所述氮化物薄膜。

3、作为本发明的进一步改进，所述氮化物薄膜的材质为氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽材料中的一种；优选为氮化锆；所述氮化物薄膜的厚度为20～400nm，优选为100nm；纳米孔阵列为四方排布，四方阵列的周期为400～5000nm，纳米孔的孔直径为周期的25％～90％。

4、作为本发明的进一步改进，所述纳米孔的孔直径为周期的50％～80％。

5、作为本发明的进一步改进，所述间隔层的材质为二氧化硅或者氮化硅材料；优选为二氧化硅；所述间隔层的厚度为50～400nm，优选为200nm。

6、作为本发明的进一步改进，所述基底层为硅材料，所述基底层的厚度为200～800μm。

7、作为本发明的进一步改进，所述基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片的工作波长在500～3300nm。

8、本发明还提供了一种基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片的制备方法，包括如下步骤：

9、s1，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水对硅基底片进行水浴超声清洗去除表面污染物，然后用氮气吹干备用；

10、s2，通过等离子体增强化学气相沉积法在硅基底片上生长出厚度均匀的间隔层；所述间隔层的材质为二氧化硅或者氮化硅材料；

11、s3，通过磁控溅射系统在步骤s2制备的间隔层的表面溅射一层均匀的等离子体氮化物薄膜；所述等离子体氮化物薄膜的材质为氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽材料中的一种；

12、s4，将krf光刻胶均匀旋涂到氮化物薄膜表面上并放入烘箱烘烤3～5分钟，使光刻胶充分干燥；

13、s5，根据传感芯片参数设计相对应的掩模板，然后结合duv光刻技术和显影操作，光刻胶中曝光的区域位置与光传感芯片中纳米孔和阵列间隙区域位置完全相对应，然后采用定影操作用于清洗残留的显影液；

14、s6，通过反应离子刻蚀技术蚀刻后，得到高规则的纳米孔阵列结构，即得到等离子体氮化物纳米孔阵列层；

15、s7，对所制备的阵列结构加热处理去除光刻胶，用去离子水清洗，氮气吹干即可得到光传感芯片。

16、本发明还提供了基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片的应用，所述等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片为前述任一技术方案所述的基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片或者由前述技术方案所述的制备方法制备得到；所述基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片用于检测环境介质折射率变化；用于对环境折射率微小变化的快速感知和对其变化的实时监测；

17、在等离子体氮化物纳米孔阵列层的纳米孔阵列表面填充待测介质，采用平面光作为光源从待测介质表面以预设的角度入射到纳米孔阵列上，在等离子体纳米孔阵列表面激发表面局域等离子体共振、传播式等离子体激元和瑞利异常模式，部分直接穿过纳米孔阵列的入射光在基底层和等离子体纳米孔阵列间的氧化间隔层微腔内激发出fabry-perot共振模式，前述模式发生耦合作用而形成杂化型等离子体共振而产生类fano共振光谱，在此类fano共振波长处产生增强的频谱特性；当检测环境介质折射率发生改变时，多模式耦合产生的类fano光谱的共振波长、相位、透射/反射率等也会随之改变，因此，可以通过所测得共振波长的变化来判断外界环境介质折射率的变化情况，从而实现对环境折射率的检测应用。

18、作为本发明的进一步改进，测试的入射光角度范围为0～60°，优选为30°。

19、作为本发明的进一步改进，待测介质折射率范围为1.00～2.30。

20、本发明的有益效果是：

21、1.本发明提供的基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片以等离子体氮化物作为纳米孔阵列层材料，其光学损耗低、热/化学性能稳定、机械性能好、生物相容性高，稳定耐用。

22、2.本发明所设计的中间间隔层作为光学谐振腔能在基底层和纳米孔阵列层间产生fabry-perot共振模式，从而促进多模式耦合作用，增强共振透射/反射效应。具体的，采用平面光作为光源从介质表面以一定的角度斜入射到纳米孔阵列上，在等离子体纳米孔阵列表面激发表面局域等离子体共振、传播式等离子体激元和瑞利异常等共振模式，部分直接穿过纳米孔阵列的入射光在基底和等离子体纳米孔阵列间的氧化间隔层微腔内激发出fabry-perot共振模式，这几种模式发生耦合作用而产生类fano共振光谱，在此类fano共振波长处产生增强的频谱特性。

23、通过改变纳米孔的直径、孔阵列周期大小、入射光角度、等离子体纳米孔阵列层、间隔层的厚度等参数可调节反射/透射峰位波长所在的位置和反射/透射峰的线宽，从而实现在理想的共振峰波长得到最优的检测灵敏度，发展共振峰可定制化的等离子体纳米孔阵列光传感芯片。

24、3.大面积氮化物薄膜易于实现，制造成本较低，且与cmos工艺兼容，易于扩大生产制备及后期集成开发。

25、4.本发明所设计的传感芯片表现出超高的检测灵敏度和品质因子。表面等离子体共振和fabry-perot共振等多模式的耦合效应增强了所述传感芯片的检测性能，使其在入射光以30°斜入射时展现出的灵敏度高达1258.9nm/riu，相应的品质因子可达67.2riu-1。

26、5.本发明提供的基于cmos兼容的等离子体氮化物纳米孔阵列光传感芯片检测成本低，可应用到气体、液体及生物传感等相关领域，能为行业实验测量带来极大的便利，将在生物传感、食品安全、环境保护、健康管理等方面发挥重要作用，同时也为高端硅光电子芯片提供更多设计思路。