Повышение производительности ТГц микроболометров со спиральными антенно-сопряженными микромостовыми дизайнами

Аннотация

Сопряжение спиральных антенн с микромостовыми болометрами предлагает мощный путь расширения инфракрасной болометрической технологии в терагерцовый (ТГц) диапазон. В этом исследовании мы изучаем три новые антенные компоновки — одиночную, двойную и взаимосвязанную линейные антенны — смонтированные на 25 мкм × 25 мкм микромостовых пикселях, в дополнение к обычной спиральной антенне на поддерживающем слое. Настраивая угол поворота, ширину линии и интервал, мы оптимизируем поглощение 2,52 ТГц дальнеинфракрасного CO₂ лазера. Двойная-линейная-антенная конфигурация дает широкий пик поглощения вокруг 2,52 ТГц с эффективностью более 90 %, в то время как взаимосвязанная-антенная конструкция дает стабильный, высокий поглощающий ответ, упрощающийfabrikацию и интеграцию. Эти выводы предоставляют четкий путь к комнатнотемпературным, реально-временным ТГц образовательным массивам с быстрым термическим откликом и высокой чувствительностью.

Введение

Терагерцовое излучение (0,1–10 ТГц) предлагает уникальные спектральные особенности — широкую полосу пропускания, низкоэнергетическое проникновение и четкие поглощающие сигнатуры — делая его ценным для молекулярной спектроскопии, медицинской диагностики и охранной визуализации. Однако полный потенциал этого диапазона остается нереализованным из-за ограниченных ТГц источников и детекторов. Прогресс в ультрабыстрой электронике, лазерной науке и полупроводниковой обработке дал квантовые каскадные лазеры (QCL) и мощные дальнеинфракрасные CO₂ лазеры, способные выдавать настраиваемые или высокомощные ТГц пучки.

ТГц детекция обычно опирается на фотонные приборы, такие как SIS переходы и квантово-колодезные фоторезисторы, достигающие высокой чувствительности и быстрого отклика, но требующих криогенического охлаждения и имеющих узкую спектральную селективность. Фототермические детекторы — включая пироэлектрические элементы и микроболометры — работают при комнатной температуре и обладают широкополосным спектральным откликом, делая их привлекательными для больших плоскостных фокальных массивов (FPA). Однако обычные микроболометры страдают от низкого ТГц поглощения, потому что стандартная микромостовая архитектура оптимизирована для среднеинфракрасных длин волн.

Улучшение ТГц поглощения в микроболометрах perseguировалось через согласование импеданса металлических пленок, метаматериальные поглотители и антенное сопряжение. Антенно-сопряженные микроболометры сочетают высокое поглощение спроектированной антенны с термической чувствительностью микромоста, давая превосходную производительность. Предыдущие работы демонстрировали антенно-сопряженные VOx болометры при 94 ГГц и металл-оксид-полупроводник FET болометры в диапазоне 0,5–1,5 ТГц, а также реально-временную 2,5 ТГц визуализацию с QCL освещением.

Пока плоские антенны легко фабрикуются, проводниковые антенны с уменьшенным объемом ускоряют нагрев и снижают термические временные константы. Строя на нашей ранней работе с 35 мкм × 35 мкм пикселем, мы теперь представляем 25 мкм × 25 мкм микромост с тремя спиральными типами антенн вариантами, улучшающими ТГц поглощение и позволяющими частотную модуляцию вокруг 2,52 ТГц.

Результаты и обсуждение

Микромостовый пиксель, изображенный на рис. 1а, имеет 20 мкм × 20 мкм чувствительную область, поддерживаемую двумя длинными ножками. Чувствительная область состоит из 0,4 мкм Si₃N₄ поддержки, 70 нм VOx термического слоя и 0,05 мкм Al спиральной антенны. 0,2 мкм NiCr рефлектор под активной областью образует 2 мкм высокую резонансную полость, оптимизирующую инфракрасное поглощение и изолирующую ТГц нагрев. Спиральные антенны ограничены в 18 мкм диаметре на Si₃N₄ поддержке. Рис. 1в–е показывают три предложенные антенные конфигурации с линейными элементами на ножках моста.

Дизайн спиральных антенно-сопряженных микромостовых структур. а Модель микромостовой структуры. б Спиральная антенна на поддерживающем слое. в Спиральная антенна с одиночной линейной антенной на одной ножке. г Спиральная антенна с двумя разделенными линейными антеннами на ножках. д Спиральная антенна с двумя соединенными линейными антеннами на ножках. е Направления электрических и магнитных полей для вертикального падения.

Спиральная антенна на поддерживающем слое

Сначала оптимизировали стандартную спиральную антенну на поддерживающем слое, варьируя угол поворота (360° × n, 0,5 ≤ n ≤ 2,0), ширину линии (w) и интервал (g). Рисунок 2а показывает, что увеличение n от 0,5 до 0,9 сдвигает основной пик поглощения вниз и снижает пиковое поглощение с 90 % до 65 %. При n = 1,6 пик выравнивается с 2,52 ТГц, хотя с поглощением только 30 %. Дальнейшая корректировка w и g (рис. 3) демонстрирует, что большие антенные отпечатки понижают резонансную частоту, но дают лишь умеренные приросты эффективности поглощения. Меньшая активная область 25 мкм × 25 мкм пикселя ограничивает максимально достижимое поглощение по сравнению с нашим предыдущим 35 мкм × 35 мкм дизайном.

Спиральная антенна с одиночной отдельной линейной антенной на одной ножке

Вставка одиночной линейной антенны на одной ножке моста расширяет эффективную антенную площадь и вводит дополнительный низкочастотный резонанс. Для n = 1,6 и ширины линии 1 мкм, позиционирование антенного порта в пределах 2 мкм от чувствительной области сливает два резонанса в широкий пик с центром при 2,52 ТГц, достигая более 40 % поглощения на 0,4 ТГц полосе (рис. 4б). Дополнительный резонанс обусловлен электрическим полем сопряжения на интерфейсе антенна-ножка, как подтверждено картами энергетической плотности (рис. 6в–г).

Спиральная антенна с двумя разделенными линейными антеннами на обеих ножках

Удвоение линейных антенн дополнительно увеличивает поглощающую площадь. При n = 1,1 комбинированная структура достигает поглощения выше 90 % на низких частотах (рис. 5а). С n = 1,6 два резонанса перекрываются, образуя еще более широкую, плоскую поглощающую полосу вокруг 2,52 ТГц (рис. 5б). Анализ энергетической плотности (рис. 6д–е) показывает, что электрическое поле поглощения теперь происходит преимущественно вдоль обеих ножек, в то время как магнитное поле поглощения остается сконцентрированным в центральной спирали. Полученное распределение потерь мощности (рис. 6ж–з) ограничено чувствительной областью, обеспечивая эффективное преобразование ТГц энергии в повышение температуры в VOx слое.

Спиральная антенна с двумя соединенными линейными антеннами на обеих ножках

Соединение линейных антенн на ножках дает более компактную антенну с единственным металлическим слоем, служащим одновременно антенной и электродным выводом. Рисунок 8 показывает, что варьирование ширины линии от 0,8 мкм до 1,1 мкм дает скорости поглощения выше 70 % при 2,52 ТГц, демонстрируя толерантность к фаbрикации. Карты энергетической плотности (рис. 9) раскрывают, что центральная спираль доминирует в магнитном поле поглощения, в то время как линейные секции в основном вносят вклад в электрическое поле сопряжение, снова локализуя потери в активной области. Эта конфигурация предлагает упрощенный, высокоинтегрированный дизайн с минимальным влиянием на термический отклик.

Термические откликовые соображения

Термическая временная константа τ = C_tot / G_eff управляется общей теплоемкостью C_tot и эффективной термической проводимостью G_eff. Для фиксированной геометрии моста C_tot доминируется объемом антенны. Заменяя плоские антенны тонкими линейными элементами, мы уменьшаем C_tot и достигаем на 16,3 % более короткого τ относительно обычных двухметаллических слоев дизайнов. Это улучшение напрямую переводится в более быстрые времена отклика детектора, существенные для реально-временной ТГц визуализации.

Заключение

Мы систематически спроектировали, смоделировали и оптимизировали четыре спиральных типа антенных конфигураций для 25 мкм × 25 мкм микроболометрических пикселей, работающих при 2,52 ТГц. Введение линейных антенн на ножках моста расширяет эффективную антенную площадь, понижает резонансную частоту и улучшает поглощение. Двойная-линейная-антенная компоновка дает широкую, высокоэффективную поглощающую полосу, в то время как соединенная-антенная конструкция предлагает стабильный, высокий пик поглощения с упрощенной фаbрикацией и интеграцией. Эти архитектуры обещают комнатнотемпературные ТГц FPA с быстрым откликом и высокой чувствительностью, продвигая практичность ТГц визуализации и сенсирования систем.

Методы

Конечно-элементные симуляции выполняли в CST Microwave Studio 2016 используя 25 мкм × 25 мкм единичную ячейку с периодическими граничными условиями по x и y. Микромостовая структура освещалась сверху (порт 1) и передавалась через дно (порт 2). Комплексные S-параметры извлекали, и поглощение рассчитывали как A = 1 − |S₂₁|² − |S₁₁|². Материалы моделировали с реалистичными проводимостями: σ_Al = 3,56 × 10⁷ С/м, σ_NiCr = 1 × 10⁷ С/м, и Si₃N₄ со второразрядной дисперсионной моделью (ε ≈ 2,0, μ = 1). 2 мкм вакуумная полость представлялась ε = 1.