Широкополосное терагерцовое поглощение решетки микроболометров, интегрированной с резонаторами с разделенным кольцом

Введение

Волна терагерцового (ТГц) диапазона с длиной волны от 30 мкм до 3 мм является очень важной, но редко исследуемой частью электромагнитного спектра. Применения технологии ТГц включают скрининг безопасности [1, 2], медицину [3, 4], связь [5, 6] и астрономию [7]. В последние годы терагерцовая технология претерпела огромный прогресс благодаря развитию источников и устройств для генерации и детектирования терагерцовой волны [8, 9]. Детекторы ТГц диапазона в основном основаны на фотоэффекте и тепловом эффекте. Детекторы фотонов, такие как сверхпроводящие болометры, могут использоваться для высокочувствительного и высокоскоростного детектирования [10, 11]; однако его необходимо охладить до очень низкой температуры. Детекторы с тепловым болометром, которые поглощают волну ТГц и вызывают изменение температуры термочувствительной пленки, могут работать при комнатной температуре и имеют большие преимущества в крупномасштабной интеграции массива, простой конфигурации и низкой стоимости [12,13,14]. Матрица микроболометров ТГц состоит из пикселей с микромостовой структурой, которая разработана на основе зрелой технологии инфракрасных (ИК) микроболометров с тем же механизмом теплового преобразования, что и источник ТГц. Критическим недостатком традиционной структуры микромоста является плохое поглощение волны ТГц диапазона, что обуславливает низкую чувствительность. Некоторые улучшения были сделаны в структуре микромоста для увеличения поглощения ТГц, включая интеграцию металлической тонкой пленки согласования импеданса и антенны, настроенной на целевую частоту [15,16,17,18]. Однако металлическая тонкая пленка демонстрирует ограниченное поглощение (≤ 50%), в то время как структура микромоста с антенной связью обычно имеет узкий пик поглощения ТГц волны. Для достижения высокого ТГц поглощения в широком диапазоне спектра на верхнюю поверхность обычного трехслойного поглотителя можно добавить тонкий диэлектрический слой и тонкий металлический слой [19]. Метод фазовой связи и сильная реакция связи также могут улучшить полосу поглощения или реализовать многополосное поглощение [20,21,22,23]. Однако большинство структур невозможно интегрировать в маленькие пиксели с микромостовыми структурами матрицы микроболометров ТГц диапазона без ущерба для тепловых и механических свойств.

Резонатор с разъемным кольцом - широко изучаемая структура для управления электромагнитными волнами путем возбуждения поверхностных плазмонов, захваченных периодической структурой [24, 25]. В этой статье, с целью улучшения поглощения массива микроболометров ТГц, металлическое разрезное кольцо с четырьмя отверстиями интегрировано в структуру микромоста с небольшим размером 35 мкм × 35 мкм. Для увеличения полосы поглощения исследуются периодические структуры резонаторов с разъемным кольцом, совмещенные с другим разъемным кольцом и металлическим диском. Широкополосное ТГц поглощение достигается за счет объединения пиков поглощения различных структур. Двойная кольцевая структура в сочетании с алюминиевым (Al) диском обеспечивает широкополосное поглощение волны ТГц диапазона в диапазоне 4–7 ТГц с максимальным поглощением 90% и самым низким поглощением более 40%. Метод с фазовой связью и сильная связь также могут улучшить полосу пропускания или реализацию многополосного поглощения.

Результаты и обсуждение

Матрица микроболометров ТГц состоит из множества пикселей структуры микромоста в двумерном повторяющемся расположении на фокальной плоскости. Каждый пиксель независимо измеряет ТГц излучение. На рис. 1а показана структура микромоста, который состоит из чувствительной многослойной пленки и двух опор, поддерживающих пленку. Многослойная пленка включает опорный слой толщиной 250 нм (нитрид кремния, Si ₃ N ₄ ), термочувствительная пленка 60 нм (оксид ванадия, VO _x ), пассивирующий слой толщиной 150 нм (Si ₃ N ₄ ) и слой поглощения ТГц волн (Al) снизу вверх. Ножки используются для механической поддержки, электрических и тепловых каналов. ВО _x Пленка через ножки соединена с электродами схемы считывания (ROIC), интегрированной в кремниевую (Si) подложку. Волна ТГц, поглощенная поглощающим слоем, вызывает изменение температуры многослойной пленки и изменение сопротивления на VO _x пленка, обнаруженная ROIC. Между отражающим слоем (Al) толщиной 400 нм на подложке Si и чувствительной многослойной пленкой образуется полость высотой 2 мкм для теплоизоляции. В этой статье разрезное кольцо с четырьмя отверстиями, как показано на рис. 1b, интегрировано в структуру микромоста в качестве слоя поглощения ТГц диапазона. Чтобы увеличить полосу поглощения ТГц, двойная кольцевая структура, как показано на рис. 1c, разъемное кольцо, объединенное с алюминиевым диском, как показано на рис. 1d, и двойная кольцевая структура, объединенная с алюминиевым диском, как показано на рис. 1e. также изучаются.

Конструкция микромостовой структуры с разъемными кольцевыми резонаторами. а Вид в разрезе конструкции микромоста. б Разъемное кольцо с четырьмя отверстиями. c Двойная кольцевая структура. г Разъемное кольцо в сочетании с алюминиевым диском. е Двойная кольцевая структура в сочетании с алюминиевым диском. е Одиночная элементарная ячейка решетки микроболометров ТГц, освещенная вертикальным падающим светом

На рисунке 2а показано поглощение ТГц волны периодическими структурами с расщепленным кольцом с разной шириной отверстия ( s ). Разъемные кольца имеют внешний радиус 15 мкм, внутренний радиус 10 мкм и толщину 10 нм. Когда ширина раскрытия разъемных колец составляет 1 мкм, 2 мкм, 4 мкм и 6 мкм, частота резонансного поглощения составляет 5 ТГц, 5,7 ТГц, 6,2 ТГц и 7,1 ТГц соответственно. Пиковое поглощение каждой структуры составляет около 100%. С увеличением ширины проема увеличивается частота резонансного поглощения. Отверстия разъемного кольца можно рассматривать как эквивалентную емкость ( C ), в то время как металлическая кольцевая часть разъемного кольца может рассматриваться как эквивалентная индуктивность ( L ), а резонансная частота (\ (\ omega \)) может быть выражена как \ (\ omega =\ frac {1} {\ sqrt {LC}} \). Увеличение ширины проема приводит к уменьшению эквивалентной емкости и увеличению резонансной частоты. Следовательно, высокое резонансное поглощение на более низкой частоте может быть достигнуто с меньшей шириной отверстия разрезного кольца. На рисунке 2b показано поглощение ТГц волны периодическими структурами с расщепленными кольцами с разной шириной кольца ( d ). Разъемные кольца имеют внешний радиус 15 мкм, ширину отверстия 2 мкм и толщину 10 нм. Видно, что с уменьшением ширины кольца частота резонансного поглощения и пиковое поглощение уменьшаются. Пиковое поглощение достигает 100% при 5,7 ТГц и 97% при 5,3 ТГц с шириной кольца 5 мкм и 3 мкм соответственно. Когда ширина кольца составляет 1 мкм, частота резонансного поглощения составляет 5 ТГц, а пиковое поглощение уменьшается до 60%. Уменьшение частоты резонансного поглощения объясняется увеличением эквивалентной индуктивности по мере уменьшения ширины кольца.

а Поглощение терагерцовых волн периодическими структурами с расщепленным кольцом с разной шириной раскрытия ( s ). Разъемные кольца имеют внешний радиус 15 мкм, внутренний радиус 10 мкм и толщину 10 нм. б Поглощение терагерцовых волн периодическими структурами с расщепленными кольцами с разной шириной колец ( d ). Разъемные кольца имеют внешний радиус 15 мкм, ширину отверстия 2 мкм и толщину 10 нм

Периодическая структура с разъемным кольцом может обеспечить высокое поглощение терагерцовых волн на резонансной частоте. Однако пик поглощения узкий. Чтобы увеличить полосу поглощения, периодические структуры из нескольких различных комбинаций разъемного кольца и алюминиевого диска интегрированы в массивы структур микромостов. На рисунке 3а показано поглощение ТГц волны периодическими двойными кольцевыми структурами с различным внешним радиусом внутреннего разрезного кольца ( r _я ). Структура с двумя кольцами имеет ширину отверстия 2 мкм и толщину 10 нм. Внешний радиус внешнего разрезного кольца составляет 17 мкм, а ширина обоих разрезных колец составляет 2 мкм. Двухкольцевые структуры имеют два пика поглощения. По мере увеличения внешнего радиуса внутреннего разъемного кольца с 11 до 13 мкм одна резонансная частота поглощения остается неизменной и составляет 3,3 ТГц, а частота резонансного поглощения другой уменьшается с 5,1 до 4,3 ТГц. Пики поглощения на более низкой и более высокой частоте, соответственно, обусловлены внешним разрезным кольцом и внутренним разрезным кольцом. По мере приближения двух разрезных колец два пика поглощения соединяются друг с другом и образуют более широкую полосу поглощения. Однако эта структура демонстрирует относительно низкое поглощение 25–55% в полосе поглощения 3,2–5,2 ТГц.

а Поглощение терагерцовой волны периодическими двойными кольцевыми структурами с разными внешними радиусами внутреннего разъемного кольца ( r _я ). Двухкольцевые структуры имеют ширину отверстия 2 мкм и толщину 10 нм. Внешний радиус внешнего разрезного кольца составляет 17 мкм, а ширина обоих разрезных колец составляет 2 мкм. б Поглощение ТГц волны периодическими структурами комбинации расщепленного кольца и диска из алюминия с разными радиусами диска ( r _d ). Периодические структуры имеют толщину 10 нм. Разъемное кольцо имеет внешний радиус 17 мкм, ширину кольца 2 мкм и ширину отверстия 2 мкм. c Поглощение терагерцовой волны периодическими структурами комбинации двух расщепленных колец и алюминиевого диска с разными радиусами диска ( r _d ). Периодические структуры имеют толщину 10 нм. Два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 14 мкм соответственно

Поглощение ТГц волны периодическими структурами комбинации расщепленного кольца и диска из алюминия с разными радиусами диска ( r _d ) показан на рис. 3б. Периодические структуры имеют толщину 10 нм. Разъемное кольцо имеет внешний радиус 17 мкм, ширину кольца 2 мкм и ширину отверстия 2 мкм. Периодические структуры имеют два пика поглощения. Один из пиков поглощения расположен в районе 4,3 ТГц, который не меняется с радиусом Al-диска. При увеличении радиуса диска с 6 до 12 мкм другой пик поглощения на более высокой частоте смещается в сторону более низкой частоты, и изменение пика поглощения незначительно. Пик поглощения около 4,3 ТГц обусловлен расщепленным кольцом, в то время как пик поглощения на более высокой частоте, движущийся с изменением структуры диска, вносит диск из алюминия. Когда радиус диска составляет 12 мкм, получается широкополосное поглощение с шириной около 2 ТГц. На рисунке 3c показано поглощение ТГц волны периодическими структурами комбинации двух расщепленных колец и алюминиевого диска с разными радиусами диска ( r _d ). Периодические структуры имеют толщину 10 нм. Два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 14 мкм соответственно. Частота резонансного поглощения составляет около 4,2 ТГц для внешнего разъемного кольца и от 5,5 до 6 ТГц для внутреннего разъемного кольца. Когда радиус алюминиевого диска составляет 7 мкм, пик резонансного поглощения приходится на 8,2 ТГц. Когда радиус диска составляет 9 мкм, его пик поглощения перемещается до 6,5 ТГц и соединяется с пиком поглощения внутреннего разъемного кольца. Периодическая структура комбинации двух расщепленных колец и диска из алюминия обеспечивает широкополосное поглощение в диапазоне 4–7 ТГц. Максимальное поглощение в полосе достигает 90%, а минимальное - выше 40%.

На рис. 4 показано распределение плотности энергии электрического поля, плотности энергии магнитного поля и потерь мощности в периодической двойной кольцевой структуре в сочетании с алюминиевым диском на различных частотах резонансного поглощения. Периодическая структура имеет толщину 10 нм. Два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 14 мкм соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 9 мкм. Как показано на рис. 3c, эта периодическая структура имеет четыре пика поглощения на частотах 4,28 ТГц, 5,74 ТГц, 6,5 ТГц и 8,5 ТГц. Распределение плотности энергии электрического поля, плотности энергии магнитного поля и потерь мощности на четырех резонансных частотах поглощения показывает основные области поглощения ТГц волны в структуре. Можно видеть, что внешнее разрезное кольцо, внутреннее разрезное кольцо и диск вносят основной вклад в резонансное поглощение на частотах 4,28, 5,74 и 6,5 ТГц соответственно. Это подтверждает предыдущий анализ пиков поглощения. Низкий пик поглощения на 8,5 ТГц объясняется взаимодействием периодических структур. На рисунке 4d показан вид в разрезе распределения плотности электрического поля в периодической двойной кольцевой структуре в сочетании с алюминиевым диском на частотах резонансного поглощения 5,74 ТГц и 6,5 ТГц. Сильное электрическое поле можно наблюдать на металлическом слое и слое диэлектрика. Поглощение в основном объясняется омическими потерями в металлическом слое и диэлектрическими потерями в диэлектрическом слое. Большая часть поглощения происходит на опорном слое и может быть преобразована в повышение температуры VO _x тонкая пленка.

Распределение плотности электрического поля, вид сверху ( a ), распределение плотности магнитного поля ( b ), потеря мощности ( c ) и вид в разрезе распределения плотности электрического поля ( d ) в периодической структуре двух расщепленных колец, совмещенных с алюминиевым диском, на разных частотах резонансного поглощения. Периодическая структура имеет толщину 10 нм. Два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 14 мкм соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 9 мкм

Поглощение ТГц волн периодическими структурами комбинации двух расщепленных колец и алюминиевого диска разной толщины ( t ) показан на рис. 5. В периодических структурах на рис. 5а два разрезных кольца имеют ширину кольца 1 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 15 мкм соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 13 мкм. Расстояние между соседними конструкциями - 1 мкм. Пики поглощения различных структур связаны вместе и образуют широкую полосу поглощения. По мере увеличения толщины поглощающего слоя ширина полосы поглощения сужается. Однако, когда толщина превышает 30 нм, характеристика поглощения периодической структуры существенно не изменяется, показывая относительно стабильное поглощение. В периодических структурах на фиг. 5b два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 13 мкм соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 9 мкм. Расстояние между соседними структурами 2 мкм. Когда толщина поглощающего слоя составляет 10 нм, эта периодическая структура обеспечивает широкополосное поглощение в диапазоне 4–7 ТГц с поглощением волны ТГц диапазона 40–90% в полосе. По мере увеличения толщины полоса поглощения постепенно превращается в два независимых пика поглощения. Хотя пиковое поглощение очень велико, сложно сформировать широкую полосу поглощения ТГц волны.

Поглощение ТГц волн периодическими структурами комбинации двух расщепленных колец и алюминиевого диска разной толщины ( t ). а Два разрезных кольца имеют ширину кольца 1 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 15 мкм соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 13 мкм. б Два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 13 мкм соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 9 мкм

Чтобы исследовать свойство поглощения при освещении наклонным падением, поглощение терагерцовых волн периодическими структурами, состоящими из двух расщепленных колец и алюминиевого диска с разными углами падения:0 ° (нормальное падение), 10 °, 20 °, 40 °. °, 60 ° и 80 ° смоделированы и показаны на рис. 6. В периодических структурах два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 13 мкм. , соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 9 мкм и толщину 10 нм. Расстояние между соседними структурами 2 мкм. По мере увеличения угла падения две пиковые частоты поглощения немного смещаются в сторону более низких частот. Когда угол падения меньше 30 °, изменение максимальной скорости поглощения незначительно. Однако сила поглощения значительно снизится, если угол падения больше 40 °.

Поглощение терагерцовых волн периодическими структурами комбинации двух расщепленных колец и алюминиевого диска с разными углами падения. Два разрезных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину отверстия 2 мкм и внешний радиус 17 мкм и 13 мкм соответственно. Диск из алюминия имеет радиус 9 мкм и толщину 10 нм

Выводы

Периодические структуры на основе Al-разъемных кольцевых резонаторов в решетке микромостовых структур с единичными размерами 35 мкм × 35 мкм исследуются с целью улучшения поглощения ТГц волн и увеличения полосы поглощения ТГц микроболометров. Частота резонансного поглощения резонаторов с разъемным кольцом определяется шириной отверстия и шириной кольца. Периодические структуры с комбинацией разъемных колец и алюминиевого диска интегрированы в массивы структур микромостов. Путем объединения пиков поглощения различных структур ширина полосы поглощения эффективно увеличивается. Высокое поглощение волны ТГц диапазона в диапазоне частот 4–7 ТГц при поглощении 40–90% достигается за счет периодической двухкольцевой структуры, совмещенной с диском. Структура соответствует требованиям микроболометров ТГц диапазона в отношении малого размера пикселя, высокого поглощения и широкого спектра отклика.

Методы

Мы выполнили численное моделирование методом конечных элементов с помощью CST Microwave Studio 2016. Мы смоделировали одну кубическую элементарную ячейку массива микроболометров ТГц диапазона размером 35 мкм × 35 мкм, как показано на рис. 1f. Волновой вектор k распространяется через z направление с идеальным электрическим полем в x – z плоскость и идеальное магнитное поле в y – z самолет. Мы устанавливаем порты ввода и вывода на верхней и нижней гранях кубической элементарной ячейки, которые обозначены как порт «1» и порт «2» соответственно. В результате моделирования получен частотно-зависимый комплекс S параметры, из которых мы получили коэффициент отражения R =| S ₁₁ | ² в порту «1» и коэффициент пропускания T =| S ₂₁ | ² в порту «2» с периодическими граничными условиями (PBC) вдоль x и y направления. Поглощение периодической структуры рассчитывалось через A =1 - | S ₁₁ | ² - | S ₂₁ | ² . Для структур, предложенных на рис. 1b – e, поглощающий слой Al и отражающий слой моделировались с использованием модели Друде с плазменной частотой \ ({\ omega} _ {p} =\) 92,700 см ⁻¹ и частота рассеяния \ ({\ omega} _ {\ tau} =\) 408 см ⁻¹ [26]. Опорный и пассивирующий слой общей толщиной 400 нм моделировался как оптический Si ₃ N ₄ пленка с дисперсионной диэлектрической проницаемостью модели второго порядка (подгонка) по CST и проницаемостью 1. Полость была смоделирована с диэлектрической проницаемостью 1 и проницаемостью 0 См / м.

Доступность данных и материалов

Все данные, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.

Сокращения

THz:

Терагерц

IR:

Инфракрасный

Al:

Алюминий

Si ₃ N ₄ :

Нитрид кремния

VO _x :

Оксид ванадия

ROIC:

Считывающая интегральная схема

Si:

Кремний

PBC:

Периодические граничные условия