Повышенное полосовое поглощение ТГц-излучения в массивах микроболометров с интегрированными раздельно-кольцевыми резонаторами

Аннотация

В данной работе периодическая структура на основе металлических раздельно-кольцевых резонаторов интегрирована в микромостовые структуры массива ТГц-микроболометров для достижения высокого поглощения ТГц-волн в широком диапазоне частот. При небольшом размере единичной ячейки 35 мкм × 35 мкм изучается влияние раздельно-кольцевой структуры на поглощающие характеристики многослойного массива для управления резонансными частотами поглощения. Полоса поглощения эффективно расширяется за счет интеграции комбинированной структуры, состоящей из раздельного кольца и металлического диска. Широкополосное ТГц-поглощение формируется путем связи пиков поглощения различных структур. Периодическая структура двойного кольца в сочетании с металлическим диском обеспечивает широкополосное поглощение ТГц-волн в диапазоне 4–7 ТГц. Максимальное поглощение в полосе достигает 90%, а минимальное — выше 40%. Предложенная структура технологически совместима и легко реализуется для малых пикселей ТГц-микроболометров с высоким поглощением в широком спектральном диапазоне. Исследование предлагает схему для широкополосного ТГц-сенсирования и визуализации в реальном времени при комнатной температуре.

Введение

Терагерцовое (ТГц) излучение с длиной волны 30 мкм – 3 мм является важным, но недостаточно изученным участком электромагнитного спектра. Применения ТГц-технологий включают системы безопасности [1, 2], медицину [3, 4], связь [5, 6] и астрономию [7]. В последние годы ТГц-технологии переживают бурный рост благодаря развитию источников и приборов для генерации и детектирования ТГц-волн [8, 9]. ТГц-детекторы основаны преимущественно на фотоэлектрическом и тепловом эффектах. Фотонные детекторы, такие как сверхпроводящие болометры, обеспечивают высокую чувствительность и скорость [10, 11], однако требуют охлаждения до экстремально низких температур. Тепловые болометрические детекторы, поглощающие ТГц-волны и вызывающие изменение температуры термочувствительной пленки, могут работать при комнатной температуре и обладают большими преимуществами в плане крупномасштабной интеграции массивов, простой конфигурации и низкой стоимости [12–14]. Массив ТГц-микроболометров состоит из пикселей с микромостовой структурой, разработанной на базе зрелой инфракрасной (ИК) технологии микроболометров с тем же механизмом теплового преобразования, но с ТГц-источником. Критическим недостатком традиционной микромостовой структуры является её слабое поглощение ТГц-волн, что приводит к низкой чувствительности. Для улучшения ТГц-поглощения вводились различные усовершенствования: интеграция металлической тонкопленочной согласующей слоя и антенны, настроенной на целевую частоту [15–18]. Однако металлическая тонкая пленка демонстрирует ограниченное поглощение (≤ 50%), в то время как антенно-сопряженные микромостовые структуры, как правило, имеют узкий пик поглощения. Для достижения высокого ТГц-поглощения в широком спектральном диапазоне на верхнюю поверхность обычного трехслойного поглотителя можно добавить тонкий диэлектрический и металлический слои [19]. Методы фазовой связи и сильного резонансного отклика также позволяют расширить полосу поглощения или реализовать многополосное поглощение [20–23]. Однако большинство таких структур не могут быть интегрированы в малые пиксели с микромостовой структурой массива ТГц-микроболометров без ухудшения тепловых и механических свойств.

Раздельно-кольцевой резонатор — широко изучаемая структура для управления электромагнитными волнами за счет возбуждения поверхностных плазмонов, локализованных в периодической структуре [24, 25]. В данной работе, с целью усиления поглощения массива ТГц-микроболометров, металлическое раздельное кольцо с четырьми зазорами интегрировано в микромостовую структуру размером 35 мкм × 35 мкм. Для увеличения полосы поглощения изучаются периодические структуры раздельно-кольцевых резонаторов, комбинированные с другим раздельным кольцом и металлическим диском. Широкополосное ТГц-поглощение достигается за счет связи пиков поглощения различных структур. Структура двойного кольца в сочетании с алюминиевым (Al) диском обеспечивает широкополосное поглощение в диапазоне 4–7 ТГц с максимальным поглощением 90% и минимальным выше 40%. Методы фазовой связи и сильного резонансного отклика также могут улучшить полосу пропускания или реализовать многополосное поглощение.

Результаты и обсуждение

Массив ТГц-микроболометров состоит из множества пикселей с микромостовой структурой, расположенных в двумерной повторяющейся схеме на фокальной плоскости. Каждый пиксель независимо измеряет ТГц-излучение. Микромостовая структура показана на рис. 1a и состоит из чувствительного многослойного покрытия и двух ножек, поддерживающих покрытие. Многослойное покрытие включает (снизу вверх): 250-нм поддерживающий слой (нитрид кремния, Si₃N₄), 60-нм термочувствительную пленку (оксид ванадия, VOₓ), 150-нм пассивирующий слой (Si₃N₄) и слой поглощения ТГц-волн (Al). Ножки обеспечивают механическую поддержку, электрические и тепловые каналы. Пленка VOₓ соединяется через ножки с электродами схемы считывания (ROIC), интегрированной в кремниевый (Si) подложку. Поглощенное ТГц-излучение слоем поглощения вызывает изменение температуры многослойного покрытия и изменение сопротивления пленки VOₓ, которое регистрируется ROIC. Полость высотой 2 мкм для теплоизоляции образуется между рефлекторным слоем (Al) толщиной 400 нм на Si-подложке и чувствительным многослойным покрытием. В данной работе раздельное кольцо с четырьмя зазорами, как показано на рис. 1b, интегрировано в микромостовую структуру как слой поглощения ТГц-волн. Для увеличения полосы поглощения также изучаются периодические структуры двойного кольца (рис. 1c), раздельного кольца в комбинации с Al-диском (рис. 1d) и двойного кольца в комбинации с Al-диском (рис. 1e).

Проектирование микромостовой структуры, связанной с раздельно-кольцевыми резонаторами. a Поперечный срез микромостовой структуры. b Раздельное кольцо с четырьмя зазорами. c Структура двойного кольца. d Раздельное кольцо в комбинации с Al-диском. e Двойное кольцо в комбинации с Al-диском. f Единичная ячейка массива ТГц-микроболометров под вертикальным падением света

На рис. 2a показано ТГц-поглощение периодических раздельно-кольцевых структур с разной шириной зазоров (s). Раздельные кольца имеют внешний радиус 15 мкм, внутренний радиус 10 мкм и толщину 10 нм. При ширине зазора 1, 2, 4 и 6 мкм резонансная частота поглощения составляет 5, 5,7, 6,2 и 7,1 ТГц соответственно. Пиковое поглощение каждой структуры составляет около 100%. С увеличением ширины зазора резонансная частота поглощения увеличивается. Зазоры раздельного кольца можно рассматривать как эквивалентную емкость (C), а металлическую часть кольца — как эквивалентную индуктивность (L); резонансная частота (ω) выражается как ω = 1/√(LC). Увеличение ширины зазора уменьшает эквивалентную емкость и повышает резонансную частоту. Следовательно, высокое резонансное поглощение на более низкой частоте достигается при меньшей ширине зазора раздельного кольца. На рис. 2b показано ТГц-поглощение периодических раздельно-кольцевых структур с разной шириной кольца (d). Внешний радиус 15 мкм, ширина зазора 2 мкм, толщина 10 нм. С уменьшением ширины кольца резонансная частота и пиковое поглощение снижаются. Пиковое поглощение достигает 100% при 5,7 ТГц и 97% при 5,3 ТГц для ширины кольца 5 мкм и 3 мкм соответственно. При ширине кольца 1 мкм резонансная частота составляет 5 ТГц, а пиковое поглощение падает до 60%. Снижение резонансной частоты объясняется увеличением эквивалентной индуктивности при уменьшении ширины кольца.

a ТГц-поглощение периодических раздельно-кольцевых структур с разной шириной зазоров (s). Внешний радиус 15 мкм, внутренний радиус 10 мкм, толщина 10 нм. b ТГц-поглощение периодических раздельно-кольцевых структур с разной шириной кольца (d). Внешний радиус 15 мкм, ширина зазора 2 мкм, толщина 10 нм

Периодическая раздельно-кольцевая структура обеспечивает высокое ТГц-поглощение на резонансной частоте, однако пик поглощения узок. Для расширения полосы поглощения в массивы микромостовых структур интегрируются периодические структуры нескольких различных комбинаций раздельного кольца и Al-диска. На рис. 3a показано ТГц-поглощение периодических структур двойного кольца с разным внешним радиусом внутреннего раздельного кольца (rᵢ). Двойная структура имеет ширину зазора 2 мкм и толщину 10 нм. Внешний радиус внешнего раздельного кольца — 17 мкм, ширина обоих колец — 2 мкм. Двойные структуры имеют два пика поглощения. При увеличении внешнего радиуса внутреннего кольца с 11 до 13 мкм одна резонансная частота остается неизменной (3,3 ТГц), а вторая уменьшается с 5,1 до 4,3 ТГц. Пики на низкой и высокой частоте вносят вклад соответственно внешнее и внутреннее раздельные кольца. При сближении двух колец два пика поглощения связываются и формируют более широкую полосу поглощения. Однако эта структура демонстрирует относительно низкое поглощение 25–55% в полосе 3,2–5,2 ТГц.

a ТГц-поглощение периодических структур двойного кольца с разными внешними радиусами внутреннего раздельного кольца (rᵢ). Ширина зазора 2 мкм, толщина 10 нм. Внешний радиус внешнего кольца 17 мкм, ширина обоих колец 2 мкм. b ТГц-поглощение периодических структур комбинации раздельного кольца и Al-диска с разными радиусами диска (r_d). Толщина 10 нм. Раздельное кольцо: внешний радиус 17 мкм, ширина кольца 2 мкм, ширина зазора 2 мкм. c ТГц-поглощение периодических структур комбинации двух раздельных колец и Al-диска с разными радиусами диска (r_d). Толщина 10 нм. Два раздельных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину зазора 2 мкм и внешние радиусы 17 мкм и 14 мкм соответственно

На рис. 3b показано ТГц-поглощение периодических структур комбинации раздельного кольца и Al-диска с разными радиусами диска (r_d). Толщина 10 нм. Раздельное кольцо: внешний радиус 17 мкм, ширина кольца 2 мкм, ширина зазора 2 мкм. Структуры имеют два пика поглощения. Один пик находится около 4,3 ТГц и не меняется с изменением радиуса диска. При увеличении радиуса диска с 6 до 12 мкм второй пик на более высокой частоте смещается в сторону низких частот, при этом изменение пикового поглощения незначительно. Пик около 4,3 ТГц обусловлен раздельным кольцом, а смещающийся пик — Al-диском. При радиусе диска 12 мкм получается широкополосное поглощение шириной около 2 ТГц. На рис. 3c показано ТГц-поглощение периодических структур комбинации двух раздельных колец и Al-диска с разными радиусами диска (r_d). Толщина 10 нм. Два раздельных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину зазора 2 мкм и внешние радиусы 17 мкм и 14 мкм соответственно. Резонансная частота поглощения для внешнего кольца составляет около 4,2 ТГц, для внутреннего — между 5,5 и 6 ТГц. При радиусе Al-диска 7 мкм резонансный пик находится на 8,2 ТГц. При радиусе 9 мкм пик диска смещается к 6,5 ТГц и связывается с пиком внутреннего кольца. Периодическая структура двух раздельных колец в комбинации с Al-диском обеспечивает широкополосное поглощение в диапазоне 4–7 ТГц. Максимальное поглощение в полосе достигает 90%, минимальное — выше 40%.

На рис. 4 показана распределение плотности энергии электрического поля, магнитного поля и потерь мощности в периодической структуре двойного кольца с Al-диском на разных резонансных частотах поглощения. Структура имеет толщину 10 нм. Два раздельных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину зазора 2 мкм и внешние радиусы 17 мкм и 14 мкм. Al-диск имеет радиус 9 мкм. Как показано на рис. 3c, данная периодическая структура имеет четыре пика поглощения на частотах 4,28; 5,74; 6,5 и 8,5 ТГц. Распределение плотностей на этих частотах показывает основные области поглощения ТГц-волн в структуре. Видно, что внешнее раздельное кольцо, внутреннее раздельное кольцо и диск вносят основной вклад в резонансное поглощение на 4,28; 5,74 и 6,5 ТГц соответственно. Низкий пик на 8,5 ТГц обусловлен связью периодических структур. На рис. 4d показан поперечный срез распределения плотности электрического поля на частотах 5,74 и 6,5 ТГц. Сильное электрическое поле наблюдается на металлическом и диэлектрическом слоях. Поглощение в основном связано с омическими потерями в металлическом слое и диэлектрическими потерями в диэлектрическом слое. Большая часть поглощения происходит на поддерживающем слое и может быть преобразована в повышение температуры тонкой пленки VOₓ.

Вид сверху распределения плотности электрического поля (a), магнитного поля (b), потерь мощности (c) и поперечный срез распределения плотности электрического поля (d) в периодической структуре двух раздельных колец с Al-диском на разных резонансных частотах. Толщина 10 нм. Два раздельных кольца: ширина кольца 2 мкм, ширина зазора 2 мкм, внешние радиусы 17 мкм и 14 мкм. Al-диск радиусом 9 мкм

На рис. 5 показано ТГц-поглощение периодических структур комбинации двух раздельных колец и Al-диска с разной толщиной (t). На рис. 5a два раздельных кольца имеют ширину кольца 1 мкм, ширину зазора 2 мкм и внешние радиусы 17 мкм и 15 мкм. Al-диск радиусом 13 мкм. Расстояние между соседними структурами 1 мкм. Пики поглощения различных структур связаны вместе и формируют широкую полосу поглощения. С увеличением толщины поглощающего слоя полоса поглощения становится уже. Однако при толщине более 30 нм поглощающая характеристика периодической структуры не меняется существенно, демонстрируя относительно стабильное поглощение. На рис. 5b два раздельных кольца имеют ширину кольца 2 мкм, ширину зазора 2 мкм и внешние радиусы 17 мкм и 13 мкм. Al-диск радиусом 9 мкм. Расстояние между структурами 2 мкм. При толщине поглощающего слоя 10 нм эта периодическая структура обеспечивает широкополосное поглощение в диапазоне 4–7 ТГц с поглощением 40–90% в полосе. С увеличением толщины полоса поглощения постепенно расщепляется на два независимых пика. Хотя пиковое поглощение очень высоко, сформировать широкую полосу поглощения ТГц-волн трудно.

ТГц-поглощение периодических структур комбинации двух раздельных колец и Al-диска с разной толщиной (t). a Два раздельных кольца: ширина кольца 1 мкм, ширина зазора 2 мкм, внешние радиусы 17 мкм и 15 мкм. Al-диск радиусом 13 мкм. b Два раздельных кольца: ширина кольца 2 мкм, ширина зазора 2 мкм, внешние радиусы 17 мкм и 13 мкм. Al-диск радиусом 9 мкм

Для исследования поглощающих свойств под косым падением смоделировано ТГц-поглощение периодических структур комбинации двух раздельных колец и Al-диска под углами падения 0° (нормальное), 10°, 20°, 40°, 60° и 80° (рис. 6). Параметры структуры: два раздельных кольца с шириной кольца 2 мкм, шириной зазора 2 мкм и внешними радиусами 17 мкм и 13 мкм; Al-диск радиусом 9 мкм и толщиной 10 нм; расстояние между структурами 2 мкм. С увеличением угла падения две пиковые частоты поглощения незначительно смещаются в сторону низких частот. При углах менее 30° изменение пикового поглощения незначительно. Однако при углах более 40° сила поглощения значительно снижается.

ТГц-поглощение периодических структур комбинации двух раздельных колец и Al-диска под разными углами падения. Два раздельных кольца: ширина кольца 2 мкм, ширина зазора 2 мкм, внешние радиусы 17 мкм и 13 мкм. Al-диск радиусом 9 мкм и толщиной 10 нм

Заключение

Изучены периодические структуры на основе Al-раздельно-кольцевых резонаторов в массиве микромостовых структур с размером единичной ячейки 35 мкм × 35 мкм для улучшения ТГц-поглощения и расширения полосы поглощения ТГц-микроболометров. Резонансная частота поглощения раздельно-кольцевых резонаторов определяется шириной зазора и шириной кольца. Периодические структуры с комбинацией раздельных колец и Al-диска интегрированы в массивы микромостовых структур. За счет связи пиков поглощения различных структур полоса поглощения эффективно увеличена. Высокое ТГц-поглощение в диапазоне частот 4–7 ТГц с поглощением 40–90% достигнуто с помощью периодической структуры двойного кольца в комбинации с диском. Структура соответствует требованиям ТГц-микроболометров к малому размеру пикселя, высокому поглощению и широкой спектральной отзывчивости.

Методы

Проведены численные симуляции методом конечных элементов с использованием CST Microwave Studio 2016. Смоделирована единичная кубическая ячейка массива ТГц-микроболометров размером 35 мкм × 35 мкм, как показано на рис. 1f. Волновой вектор k распространялся в направлении z с идеальным электрическим полем в плоскости x–z и идеальным магнитным полем в плоскости y–z. Входной и выходной порты установлены на верхней и нижней гранях кубической ячейки (порт «1» и порт «2»). Симуляция дала частотно-зависимые комплексные S-параметры, из которых получены коэффициент отражения R = |S₁₁|² на порту «1» и коэффициент прохождения T = |S₂₁|² на порту «2» с периодическими граничными условиями (PBC) по направлениям x и y. Поглощение периодической структуры рассчитывалось как A = 1 − |S₁₁|² − |S₂₁|². Для структур, предложенных на рис. 1b–e, Al-слой поглощения и рефлекторный слой моделировались по модели Друде с плазменной частотой ω_p = 92 700 см⁻¹ и частотой рассеяния ω_τ = 408 см⁻¹ [26]. Поддерживающий и пассивирующий слои общей толщиной 400 нм моделировались как оптическая пленка Si₃N₄ с дисперсионной диэлектрической проницаемостью модели второго порядка (аппроксимация) в CST и магнитной проницаемостью 1. Полость моделировалась с диэлектрической проницаемостью 1 и магнитной проницаемостью 0 См/м.

Доступность данных и материалов

Все данные, подтверждающие выводы данной статьи, включены в текст статьи.

Аббревиатуры

ТГц:

Терагерц

ИК:

Инфракрасный

Al:

Алюминий

Si₃N₄:

Нитрид кремния

VOₓ:

Оксид ванадия

ROIC:

Схема считывания (Readout integrated circuit)

Si:

Кремний

PBC:

Периодические граничные условия