Улучшение частотной модуляции и поглощения ТГц микроболометра со структурой микромоста с помощью антенн спирального типа

Фон

Терагерцовое (ТГц) излучение (0,1 ~ 10 ТГц, 1 ТГц =10 ¹² Hz), обладающие уникальными спектральными характеристиками, включая широкий диапазон, низкое проникновение энергии и спектральное поглощение [1, 2], является привлекательным для широкого спектра применений в молекулярной спектроскопии [3], диагностике заболеваний [4], зондировании и визуализации. [5, 6]. Однако этот частотный диапазон до сих пор не использовался полностью из-за нехватки источников и детекторов, настроенных на ТГц. За последние 20 лет развитие сверхбыстрой электроники, лазерных технологий и маломасштабных полупроводниковых технологий обеспечило эффективные способы излучения и обнаружения терагерцовых волн. Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) могут излучать линейное излучение на настраиваемых частотах [7, 8], в то время как дальний инфракрасный CO ₂ Газовый лазер, излучающий волну 2,52 ТГц, обеспечивает гораздо более высокую мощность излучения [9]. В настоящее время детекторы ТГц диапазона в основном основаны на двух видах эффектов, которые могут напрямую измерять сигналы ТГц:фотонном эффекте и фототермическом эффекте. Фотонный детектор работает на основе фотоэлектрического эффекта поглощенного ТГц излучения, включая сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник туннельный переход (SIS) [10] и детекторы с квантовыми ямами, работающие в фотопроводящем или фотовольтаическом режиме [11,12,13,14] . Детекторы фотонов обладают высокой чувствительностью и коротким временем отклика, но они избирательны по длине волны и часто требуют охлаждения. Фототермические детекторы, такие как пироэлектрические детекторы комнатной температуры [15] и микроболометры [8, 9], поглощают энергию ТГц излучения и преобразуют ее в изменение сопротивления или спонтанные изменения поляризации термочувствительных пленок. Детектор микроболометра может работать при комнатной температуре с широким диапазоном длин волн и имеет большие преимущества в интеграции матрицы и стоимости по сравнению с пироэлектрическими детекторами. При разработке микроболометрического детектора ТГц диапазона используется отработанная технология инфракрасных (ИК) микроболометров с тем же механизмом теплового преобразования. Совсем недавно были опубликованы сообщения о теоретических исследованиях и экспериментальной проверке систем восприятия и визуализации в ТГц диапазоне, основанных на решетках фокальной плоскости (FPA) инфракрасных микроболометров, снабженных соответствующими источниками освещения [7, 16]. Однако такие ИК-детекторы с традиционной микромостовой структурой имеют низкую чувствительность в ТГц диапазоне из-за плохого поглощения ТГц излучения [17].

Некоторые улучшения были сделаны для увеличения поглощения ТГц традиционного микромоста микроболометра. Металлическая тонкая пленка с согласованным импедансом, которая, как было доказано, поглощает волны ТГц диапазона из-за резистивных потерь, является лучшим выбором в качестве поглощающего слоя в структурах микромостов из-за ее низкой теплоемкости, высокой теплопроводности и хорошей совместимости с процессом изготовления микромостов ТГц диапазона. болометры [18, 19]. Поглощение тонкой металлической пленки может быть дополнительно улучшено за счет контроля процесса подготовки и модификации поверхности [20]. Однако эффект поглощения тонкой металлической пленки ограничен идеальной степенью поглощения 50% [21]. Поглотитель из метаматериала и антенна, настроенная на частоту осветителя, могут быть интегрированы в болометры для получения высокого поглощения из-за омических потерь и диэлектрических потерь в структуре [22, 23]. Структура микромоста с антенной связью оказалась более эффективным способом достижения высокого поглощения и чувствительности благодаря лучшей совместимости с микроболометрами. Антенна обеспечивает высокое поглощение волны ТГц диапазона, а структура микромоста обеспечивает высокую эффективность теплового обнаружения. Оксид ванадия с антенной связью (VO _x ) тонкопленочный болометр, работающий на частоте 94 ГГц [24], и микроболометр металл-оксид-полупроводник с антенной связью (MOSFET), чувствительный к диапазону 0,5 ~ 1,5 ТГц [25, 26]. Получение изображений в реальном времени на частоте 2,5 ТГц было разработано CEA-Leti с использованием антенно-связанных микроболометров FPA с ККЛ в качестве источника ТГц излучения [27]. В большинстве случаев используются планарные антенные конструкции с большой площадью поглощения и простым производственным процессом. Однако проволочные антенны с меньшим насыпным объемом предпочтительнее планарных антенн из-за более высокой скорости нагрева, что приводит к меньшему времени теплового отклика [28].

В нашем более раннем исследовании [29] спиральная проволочная антенна была представлена ​​в микромостовой структуре микроболометра 35 мкм × 35 мкм, и предварительно был предложен новый тип спиральной антенны с вытянутыми ножками для улучшенного поглощения волны 2,52 ТГц. . Однако оптимизация конструкции антенны и подробное обсуждение ее характеристик поглощения ТГц, фототермического эффекта и процесса изготовления не удалось. В этой статье на основе микромостовой структуры с гораздо меньшими размерами 25 мкм × 25 мкм предлагаются три типа антенн спирального типа для увеличения поглощения ТГц и частотной модуляции поглощения с помощью одной отдельной линейной антенны, двух отдельных линейных антенн. или две подключенные линейные антенны на опорах моста в дополнение к традиционной спиральной антенне на опорном слое. Путем оптимизации структурных параметров и анализа характеристик поглощения для каждого типа антенны, предпочтительные схемы антенно-связанных микромостовых структур получены для широкого пика поглощения около 2,52 ТГц или стабильного поглощения на 2,52 ТГц с высокой степенью интеграции, упрощенным процессом изготовления и высокая скорость нагрева.

Результаты и обсуждение

Антенны спирального типа предназначены для усиления поглощения и модуляции FPA микроболометров ТГц диапазона на основе микромостовых структур с целевой частотой 2,52 ТГц. Одиночный пиксель в FPA с интервалом между пикселями 25 мкм, показанный на рис. 1a, состоит из центральной чувствительной области размером около 20 мкм × 20 мкм и двух длинных ножек, которые поддерживают чувствительную область. Чувствительная область состоит из многослойных пленок, включая опорный слой из нитрида кремния 0,4 мкм (Si ₃ N ₄ ) пленка, термочувствительный слой (VO _x тонкая пленка) толщиной 70 нм и спиральная антенна, действующая как поглощающий слой ТГц диапазона, выполненная из тонкой пленки алюминия (Al) толщиной 0,05 мкм. Тонкая никель-хромовая (NiCr) пленка толщиной 0,2 мкм помещается под чувствительной областью в качестве отражающего слоя для формирования резонансной полости высотой 2 мкм для оптимального поглощения ИК-излучения и тепловой изоляции ТГц излучения. Конструкция антенны спирального типа расположена на Si ₃ N ₄ поддерживающий слой и ограниченный внешним диаметром 18 мкм. Стремясь ограничить размер опорного слоя, в дополнение к традиционной спиральной антенне на опорном слое, показанной на рис. 1b, предлагаются новые спиральные микромостовые структуры с антенной связью. Линейные антенны внедрены и интегрированы на опорах моста, что приводит к увеличению площади оригинальных спиральных антенн на опорном слое. На рис. 1c – e показаны антенны спирального типа с одной отдельной линейной антенной, двумя отдельными линейными антеннами и двумя подключенными линейными антеннами на опорах моста, соответственно.

Проектирование спиральных антенно-мостовых структур. а Модель конструкции микромоста. б Антенна спирального типа на опорном слое. c Антенна спирального типа с отдельной отдельной линейной антенной на одной из опор мостика. г Антенна спирального типа с двумя отдельными линейными антеннами на ножках мостика. е Антенна спирального типа с двумя подключенными линейными антеннами на ножках мостика. е Направления электрического поля и магнитного поля для вертикального падающего света

Антенна спирального типа на опорном уровне

Традиционная спиральная структура микромоста с антенной связью, показанная на рис. 1b, сначала была исследована с антенной на опорном слое. Структурные параметры (указанные на рис. 1b) спиральной антенны были оптимизированы, и было обсуждено влияние каждого параметра на характеристики поглощения ТГц диапазона.

Для спиральной антенны на опорном слое с шириной антенной линии 1 мкм и углом поворота (угол поворота от центра антенны) 360 * n ( нет изменения в 0,5 ~ 2,0), вариации положения пика поглощения и пикового коэффициента поглощения антенно-связанных микромостовых структур с n показаны на рис. 2а, б соответственно.

Кривые изменения положения пика поглощения ( a ) и пиковая скорость поглощения ( b ) и кривые поглощения ТГц волн ( c ) микромостовых конструкций с разными углами поворота (360 * n ) спиральных антенн на опорном слое

Из рис. 2a, b видно, что пиковая частота поглощения и пиковая скорость поглощения уменьшаются, когда n увеличивается с 0,5 до 0,9. Пиковая скорость поглощения снижается до 65% при 4,1 ТГц, когда n =0,9, а затем увеличивается до 90% при 3,5 ТГц, когда n =1. Когда n =1 ~ 1,5, пиковая частота поглощения и пиковая скорость поглощения продолжают уменьшаться с увеличением угла поворота. Пиковая частота поглощения снижается до 2,64 ТГц, когда n =1,5; однако пиковая скорость поглощения снижается до 22,8%. Поглощение 30% достигается на частоте 2,53 ТГц, когда n =1,6. Минимальная пиковая частота поглощения приходится на 2,39 ТГц, когда n =1,7, а затем частота поглощения увеличивается до 4,45 ТГц, когда n =1,8. Когда n =1,8 ~ 2, пиковая частота поглощения снова уменьшается, а пиковая скорость поглощения увеличивается с увеличением угла поворота. Рисунок 2a показывает, что частота поглощения продолжает уменьшаться с увеличением угла поворота в нескольких различных диапазонах, включая n =0,5 ~ 1, n =1,1 ~ 1,7 и n =1,8 ~ 2. Пиковая скорость поглощения также продолжает снижаться, когда n =0,5 ~ 0,9, n =1 ~ 1,5 и n =1,6 ~ 1,7. Антенны с большими углами поворота (360 * n ), когда n > 2 не рассматриваются из-за ограничения размера поддерживающего слоя. Кривые поглощения ТГц волн микромостовых структур показаны на рис. 2в с разными углами поворота (360 * n , n =1,1 ~ 1,7) спиральных антенн на опорном слое. Каждая кривая поглощения имеет несколько пиков поглощения вдоль оси частот, и пик поглощения на самой низкой частоте используется для построения графика на рис. 2a, b, нацеленного на оптимальное поглощение волны 2,52 ТГц, излучаемой CO _{2 большой мощности в дальней инфракрасной области} газовый лазер. Рисунок 2 показывает, что пик поглощения получается около 2,52 ТГц, когда n =1,6 с низким коэффициентом поглощения 30%.

На рис. 3а, б показаны кривые поглощения ТГц волн микромостовых структур со спиральной антенной на опорном слое при n =1.6 с другой шириной линии ( w ) и интервал ( g ), соответственно. Видно, что пиковая частота поглощения значительно уменьшается, тогда как пиковая скорость поглощения медленно увеличивается с увеличением ширины линий и расстояния между ними. Аналогичный вывод получается, когда n =1.1. Увеличение ширины линий и расстояния между ними приводит к увеличению размера антенны. Кажется, что увеличение площади антенны способствует снижению частоты поглощения, но не влияет на коэффициент поглощения.

Кривые поглощения ТГц волн микромостовых структур со спиральной антенной на опорном слое при n =1,6 с другой шириной линии ( a ) и разный интервал ( b )

Более плохое поглощение около 2,52 ТГц получается для микромостовой структуры спирального типа с антенной связью с размером пикселя 25 мкм × 25 мкм из-за меньшего размера пикселя по сравнению с структурой пикселей 35 мкм × 35 мкм, описанной в [29] что обеспечивает более высокий коэффициент поглощения 45% при 2,77 ТГц, когда n =1,1 и 46% при 2,99 ТГц при n =2,1. Как мы уже сделали ранее, увеличение площади антенны является эффективным способом частотной модуляции поглощения, но оно ограничено размером поддерживающего слоя и становится более серьезным для пикселей размером 25 мкм × 25 мкм.

Антенна спирального типа с одной отдельной линейной антенной на одной из опор мостика

Ножки конструкции микромоста выполняют роль механической опоры, а также электрических и тепловых каналов. Длинные опоры моста могут обеспечить низкую теплопроводность и улучшить теплоизоляционные характеристики структуры микромоста. Однако это также уменьшает эффективный размер чувствительной области, ограничивая размер поглощающей пленки или структур. Для достижения высокого коэффициента поглощения на более низкой частоте на опорах мостика вводятся линейные антенны для увеличения площади антенн. На рисунке 1c показана антенна спирального типа с отдельной отдельной линейной антенной на одной из опор моста.

Наше исследование показало, что порт линейной антенны на опоре моста рядом со стороной чувствительной области имел сильный эффект поглощения связи. Итак, мы установили угол поворота 360 * n ( нет =1.1 и n =1,6), ширина линии антенны до 1 мкм, а шаг до 2,5 мкм ( n =1,1) и 1,4 мкм ( n =1,6) и скорректировал расстояние ( i (показано на рис. 1c с частичным увеличенным изображением) между антенным портом на опоре моста и соединением между опорой моста и чувствительной зоной. Кривые поглощения волны ТГц диапазона спиральных структур микромостов с антенной связью с одной отдельной линейной антенной на одной из ветвей мостика для различных положений линейной антенны, когда n =1.1 и n =1.6 показаны на рис. 4а, б соответственно.

Кривые поглощения терагерцовых волн спиральных микромостовых структур с антенной связью с одной отдельной линейной антенной на одной из ветвей мостика при n =1,1 ( а ) и n =1,6 ( b ) для разных положений линейной антенны

Как показано на рис. 4a, новый пик поглощения появляется на более низкой частоте при установке антенны на опоре моста в дополнение к исходному пику поглощения около 3,5 ТГц. Когда порт антенны на опоре мостика приближается к чувствительной области ( i изменяется от - 2,5 до 2 мкм), поглощение на более высокой частоте остается примерно таким же, в то время как пиковая скорость поглощения и частота поглощения уменьшаются на более низкой частоте. Становится ясно, что антенна на опоре мостика способствует поглощению на более низкой частоте. Кривые поглощения спиральных антенн с одной отдельной линейной антенной при n =1,6, показанные на рис. 4б, указывают на широкий пик поглощения около 2,52 ТГц. Это связано с тем, что пики поглощения антенны спирального типа на опорном слое и антенны на опоре моста возникают в близком положении. Как я изменяется от - 2,5 до - 1 мкм, два пика поглощения сближаются друг с другом и расширяют полосу поглощения. Широкое поглощение более 40% может быть получено в полосе частот 0,4 ТГц, когда i =- 1,5, и один широкий пик поглощения достигается с полушириной пика 0,3 ТГц, когда i =- 1.

Антенна спирального типа с двумя отдельными линейными антеннами на опорах мостика

Для спиральной антенны с двумя отдельными линейными антеннами, показанной на рис. 1d, кривые поглощения терагерцовой волны спиральных микромостовых структур с антенной связью для различных положений линейной антенны, когда n =1.1 и n =1.6, с такими же настройками других параметров структуры, включая ширину линий и интервал, показаны на рис. 5a, b соответственно. Вариации поглощения ТГц диапазона в целом имеют ту же тенденцию, что и у спиральной антенны с одной отдельной линейной антенной, показанной на рис. 4. Две ветви структуры микромоста используются для подготовки антенн, поэтому площадь антенны еще больше увеличивается. Это приводит к гораздо более высокому уровню поглощения (более 90%) при более низкой частоте, когда n =1,1, как показано на рис. 5а, по сравнению со спиральной антенной с одной отдельной линейной антенной. Установка антенн на опорах моста также увеличивает поглощение на исходной более высокой частоте. Широкие пики поглощения также получаются на рис. 5b, когда n =1,6 и поглощения значительно увеличиваются. Можно сделать вывод, что спиральная антенна с двумя отдельными линейными антеннами на опорах мостика при n =1,6 больше подходит для использования в FPA ТГц микроболометра на основе микромостовых структур из-за его более высокого поглощения в более широкой полосе.

Кривые поглощения терагерцовых волн спиральных микромостовых структур с антенной связью с двумя отдельными линейными антеннами на опорах мостика при n =1,1 ( а ) и n =1,6 ( b ) для разных положений линейной антенны

На рисунке 6 показаны диаграммы плотности энергии электрического поля и магнитного поля для трех типов спиральных антенно-связанных микромостовых структур, разработанных ранее. Из рис. 6а, б видно, что для спиральной антенны на опорном слое поглощение энергии электрического поля происходит в основном в центре и на обоих концах спиральной антенны, в то время как антенная линия дает большую часть поглощения. энергии магнитного поля, что согласуется с нашими предыдущими исследованиями [29]. На рис. 6c, d показано, что эффект сильного сцепления, поглощающий энергию электрического поля, возникает в порте одиночной отдельной линейной антенны на опоре моста рядом со стороной чувствительной области, а антенна на опоре также способствует поглощению энергии магнитного поля. . Подобные явления можно наблюдать для антенны спирального типа с двумя отдельными линейными антеннами на опорах моста, как показано на рис. 6e, f. Поглощение как энергии электрического поля, так и энергии магнитного поля увеличивается в области поглощения и усиливается по интенсивности поглощения из-за увеличенной площади антенны. На рис. 6g, h показано распределение потерь мощности в структуре микромоста, соединенной со спиральной антенной с двумя отдельными линейными антеннами на опорах моста, когда n =1.6 и i =- 2 вид сверху и вид сбоку соответственно. Из рис. 6h ясно видно, что потеря мощности почти полностью ограничивается центральной чувствительной областью, что способствует повышению температуры термочувствительного VO _x тонкая пленка интегрирована в центральную чувствительную область. Потери мощности, вызванные центральной спиральной антенной, в основном возникают в антенном слое, тогда как большая часть потерь, вызванных отдельными линейными антеннами на опорах моста, происходит в Si ₃ N ₄ опорный слой. Это означает, что пик поглощения на более высокой частоте на рис. 5a вызван омическими потерями в центральной антенне спирального типа, в то время как пик поглощения на более низкой частоте приписывается отдельным линейным антеннам на опорах моста из-за диэлектрических потерь, которые способствуют формированию широкий пик поглощения, показанный на рис. 5б. На основе коэффициентов передачи и отражения ( S параметры) структуры, данные рассеяния можно инвертировать для определения показателя преломления ( n ) и импеданс ( z ), откуда самосогласованные значения эффективной диэлектрической проницаемости ( ε ) и проницаемости ( μ ) можно получить [30]. На рис. 7a, b показаны действительная и мнимая части эффективной проницаемости и диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты для структуры микромоста, соединенной со спиральной антенной с двумя отдельными линейными антеннами, когда n =1.6 и i =- 2 соответственно. Из рисунка 7 видно, что в районе 2,52 ТГц возникают очевидные резонансы, которые вызывают потерю ТГц излучения и два пика поглощения, как показано на рисунке 5b.

Распределение плотности энергии электрического поля, плотности энергии магнитного поля и потерь мощности. Диаграммы плотности энергии электрического поля ( a ) и магнитное поле ( b ) для спиральной антенны на опорном слое при n =1,6; Диаграммы плотности энергии электрического поля ( c ) и магнитное поле ( d ) для спиральной антенны с одной отдельной линейной антенной, когда n =1.6 и i =- 2; диаграммы плотности энергии электрического поля ( e ) и магнитное поле ( f ) для спиральной антенны с двумя отдельными линейными антеннами при n =1.6 и i =- 2; Распределение потерь мощности в структуре микромоста в сочетании со спиральной антенной с двумя отдельными линейными антеннами при n =1.6 и i =- 2 вид сверху ( g ) и вид сбоку ( h )

Реальная и мнимая части эффективной проницаемости ( a ) и диэлектрической проницаемости ( b ) как функция частоты для структуры микромоста, соединенной со спиральной антенной с двумя отдельными линейными антеннами, когда n =1.6 и i =- 2

Антенна спирального типа с двумя соединенными линейными антеннами на опорах мостика

Другой вид спиральной антенны, показанный на рис. 1д, был предложен с двумя подключенными линейными антеннами на опорах мостика. На рисунке 8 показаны кривые поглощения волны ТГц диапазона спиральных микромостовых структур с антенной связью, когда n =1,6, г (интервал) =1,4 мкм для разной ширины линии ( f ). На рис. 8 наблюдаются два кажущихся пика поглощения. Положение пика поглощения медленно перемещается к более низкой частоте с увеличением ширины антенной линии, в то время как пиковая скорость поглощения изменяется мало. Поглощение около 70% достигается на частоте 2,52 ТГц при f =1 мкм, а скорость поглощения каждой кривой на 2,52 ТГц, когда f =0,8 ~ 1,1 мкм выше 50%. Это указывает на то, что разница в ширине антенной линии, которая может быть вызвана производственным процессом, мало влияет на поглощение в ТГц диапазоне, что способствует проектированию спиральных антенно-связанных микромостовых структур и снижает сложность изготовления и реализации. проектируемых конструкций для большей избыточности допускается.

Кривые поглощения терагерцовых волн спиральных микромостовых структур с антенной связью с двумя подключенными линейными антеннами на опорах мостика для разной ширины линии ( f )

На рисунке 9 показаны диаграммы плотности энергии электрического поля и магнитного поля для спиральной антенны с двумя подключенными линейными антеннами на опорах мостика при ширине линии 1 мкм. Область поглощения энергии электрического поля, показанная на рис. 9а, в основном возникает в чувствительной области и области соединения между ножками моста и чувствительной областью. Поглощение энергии магнитного поля, показанное на рис. 9b, в основном объясняется вкладом антенны в опорный слой. Большая часть поглощения происходит на опорном слое и может быть преобразована в повышение температуры VO _x тонкая пленка.

Диаграммы плотности энергии электрического поля ( a ) и магнитное поле ( b ) для спиральных антенно-связанных микромостовых структур с двумя подключенными линейными антеннами на опорах моста и шириной линии 1 мкм

Конструкция спиральной антенны с двумя отдельными линейными антеннами или двумя подключенными линейными антеннами на опорах моста, показанная на рис. 1d, e, является хорошим решением для высокого коэффициента поглощения при низкой частоте поглощения 2,52 ТГц, когда угол поворота равен установить на 360 * n ( нет =1,6). Антенна спирального типа с двумя отдельными линейными антеннами обеспечивает широкий пик поглощения около 2,52 ТГц, в то время как антенна спирального типа с двумя подключенными линейными антеннами имеет относительно стабильный пик поглощения при изменении ширины антенной линии. Еще одно преимущество спиральной антенны с двумя подключенными линейными антеннами состоит в том, что антенна может действовать как вывод электрода для высокой интеграции и упрощения процесса, поскольку слой антенны и выводов электрода может быть изготовлен с помощью одностадийной фотолитографии и процесса построения шаблона. Это обеспечивает высокоинтегрированную спиральную структуру микромоста с антенной связью с высоким поглощением на частоте 2,52 ТГц и высоко совместимый упрощенный способ реализации структуры.

Для ТГц детектора со структурой микромоста с антенной связью время теплового отклика ( τ ) зависит от его эффективной теплопроводности ( G _eff ) и общая теплоемкость ( C _малыш ) через τ = C _малыш / G _eff . G _eff определяется через G _eff = G _нога - αV _{предвзятость} Я ₀ , где α - температурный коэффициент тока и V _{предвзятость} и я ₀ - напряжение смещения и ток детектора [31] соответственно. G _нога =2 σ _th А / l - теплопроводность ветвей моста, где σ _th теплопроводность ветви и A и l - площадь поперечного сечения и длина опор моста соответственно. Он умножается на 2, так как есть две ноги. Для определенной конструкции микромоста фиксируется теплопроводность ног моста; G _eff также будет исправлено [32]. τ будет определяться C _малыш , которая представляет собой общую теплоемкость конструкции антенны и микромоста, включая такую ​​нагрузку, что C _малыш = C _{муравей} + C _мост . Теплоемкость антенны определяется через C . _{муравей} = c _{муравей} ρ _{муравей} V _{муравей} , где c _{муравей} - теплоемкость антенны, ρ _{муравей} - массовая плотность антенны, а V _{муравей} объем антенны. C _мост определяется аналогично C _{муравей} . Можно сделать вывод, что C _малыш в основном ограничивается объемом антенны ( V _{муравей} ) для определенного материала антенны на фиксированной конструкции микромоста. Вот почему мы ожидаем уменьшить объем антенны за счет использования линейных антенн, а не планарных антенн, чтобы добиться меньшего времени теплового отклика. Для структуры микромоста с антенной связью, спроектированной в этой статье, с одним металлическим слоем, действующим как слой антенны и вывода электродов, общая теплоемкость дополнительно снижается на C _малыш ≈ C _мост . Предполагая, что центральная чувствительная область структуры микромоста состоит из Si ₃ N ₄ пленка размером около 20 мкм × 20 мкм и толщиной 0,4 мкм, а антенный слой выполнен из тонкой пленки Al толщиной 0,05 мкм и покрывает 1/3 чувствительной области, теплоемкость Si ₃ N ₄ пленка и Al антенна могут быть рассчитаны, поскольку удельная теплоемкость и массовая плотность PECVD Si ₃ N ₄ пленки 0,17 Дж / (г * К) и 2500 кг / м ³ , а тонкая пленка из алюминия - 0,91 Дж / (г * К) и 2700 кг / м ³ , соответственно. The results suggest that for the antenna-coupled micro-bridge structure with a single antenna and electrode lead layer, the total heat capacity can be reduced to 83.7% of the traditional micro-bridge structure with two metal layers acting as the antenna and electrode lead layer separately, and the thermal response time can be reduced by 16.3% under the same thermal conductivity of the micro-bridge structure. This provides the potentiality of applications in high-performance THz micro-bolometer detectors with fast response.

Выводы

In this paper, we have carried out the design, simulation, and optimization of four kinds of spiral-type antenna-coupled micro-bolometers for THz applications in sensing and imaging. Compared to traditional spiral-type antenna on the support layer of micro-bridge structure, antennas are proposed with a single separate linear antenna, two separate linear antennas, or two connected linear antennas on the bridge legs. The structural parameters of spiral-type antenna are optimized and the influence of each parameter on absorption characteristics is discussed. The antenna area is enlarged and the absorption frequency is decreased due to the introduction of linear antennas on bridge legs. The spiral-type antenna with two separate linear antennas provides wide absorption peak near 2.52 THz, while the spiral-type antenna with two connected linear antennas has a relatively stable absorption peak with the changing of the antenna line width and provides possibility for high integration and process simplification of the micro-bridge structure. This paper presents the applications of spiral-type antennas in THz detector based on micro-bridge structure and discusses their advantages in THz absorption enhancement, absorption frequency modulation, response time improvement, and manufacturing process simplification.

Методы

We performed finite-element numerical simulations using CST Microwave Studio 2016. We simulated a single cubic unit cell with a unit size of 25 μm × 25 μm as shown in Fig. 1f, with the antenna-coupled micro-bridge structure located at the center. The wave vector k propagated through the z direction with perfect electric field in x - z plane and perfect magnetic field in y - z самолет. We set the input and output ports on the top and bottom faces of the cubic unit cell in the vacuum which are indicated as port “1” and port “2” in Fig. 1f, respectively. The simulation produced the frequency-dependent complex S parameters, from which we obtained the reflectance R  = |S ₁₁ | ² at port “1” and transmittance T  = |S ₂₁ | ² at port “2” with periodic boundary conditions (PBC) along the \( \widehat{x} \) and \( \widehat{y} \) directions. The absorptions of the antenna-coupled micro-bridge structures were calculated via A  = 1 − |S ₂₁ | ²  − |S ₁₁ | ² . For the spiral-type antenna-coupled micro-bridge structures proposed in Fig. 1a–e, the Al and NiCr thin films were modeled as lossy metal with the default conductivity σ _Al  = 3.56 × 10 ⁷  S/m and σ _NiCr  = 1 × 10 ⁷  S/m. Si₃ N ₄ thin film was modeled as optical silicon nitride film with a dispersion permittivity ε _Si3N4 of 2nd order model (fit) in CST and a permeability of 1. The resonant cavity was treated with ε _vacuum  = 1 and σ _vacuum  = 0 S/m.

Сокращения

FET:

Field effect transistors

FPA:

Focal plane array

IR:

Infrared

MOSFET:

Metal-oxide-semiconductor FET

NiCr:

Nickel–chromium

PBC:

Periodic boundary conditions

QCL:

Quantum cascade lasers

QW:

Quantum well

Si₃ N ₄ :

Silicon nitride

SIS:

Superconductor–insulator–superconductor tunnel junction

THz:

Terahertz

VO_x :

Vanadium oxide