Frequenzmodulation und Absorptionsverbesserung von THz-Mikrobolometern mit Mikrobrückenstruktur durch spiralförmige Antennen

Hintergrund

Terahertz-Strahlung (THz) (0,1~10 THz, 1 THz = 10 ¹² Hz), die nachweislich einzigartige spektrale Eigenschaften wie Breitband, niedrige Energiedurchdringung und spektrale Absorption aufweist [1, 2], ist attraktiv für seine vielfältigen Anwendungen in der Molekularspektroskopie [3], der Krankheitsdiagnostik [4], der Sensorik und der Bildgebung [5, 6]. Dieser Frequenzbereich wird jedoch aufgrund des Mangels an THz-abgestimmten Quellen und Detektoren bisher nicht voll ausgeschöpft. In den letzten 20 Jahren haben die Entwicklungen der ultraschnellen Elektronik, der Lasertechnologie und der kleinskaligen Halbleitertechnologie effektive Möglichkeiten für die Emission und Detektion von THz-Wellen bereitgestellt. Quantenkaskadenlaser (QCL) können Linienemission bei abstimmbaren Frequenzen ausstrahlen [7, 8], während CO₂ . im fernen Infrarotbereich Gaslaser, der eine Welle von 2,52 THz emittiert, bietet eine viel höhere Strahlungsleistung [9]. Derzeit basieren THz-Detektoren hauptsächlich auf zwei Arten von Effekten, die THz-Signale direkt messen können:Photoneneffekt und photothermischer Effekt. Der Photonendetektor arbeitet auf der Grundlage des photoelektrischen Effekts der absorbierten THz-Strahlung, einschließlich Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Tunnelübergang (SIS) [10] und Quantentopf-(QW)-Detektoren, die im photoleitfähigen oder photovoltaischen Modus arbeiten [11,12,13,14] . Photonendetektoren haben eine hohe Empfindlichkeit und eine kurze Ansprechzeit, sind jedoch in der Wellenlänge selektiv und erfordern oft eine Kühlung. Photothermische Detektoren, wie pyroelektrische Detektoren bei Raumtemperatur [15] und Mikrobolometer [8, 9], absorbieren die Energie der THz-Strahlung und wandeln sie in Widerstand oder spontane Polarisationsänderungen der wärmeempfindlichen Filme um. Ein Mikrobolometer-Detektor kann bei Raumtemperatur mit einer breiten Wellenlängenantwort betrieben werden und hat gegenüber pyroelektrischen Detektoren große Vorteile bei der Array-Integration und den Kosten. Die Entwicklung des THz-Mikrobolometer-Detektors profitiert von der ausgereiften Infrarot-(IR)-Mikrobolometer-Technologie mit dem gleichen thermischen Umwandlungsmechanismus. In jüngerer Zeit wurde über theoretische Forschung und experimentelle Verifizierung von THz-Sensor- und Bildgebungssystemen auf der Grundlage von IR-Mikrobolometer-Fokusebenen-Arrays (FPA) berichtet, die mit geeigneten Beleuchtungsquellen ausgestattet sind [7, 16]. Allerdings weisen solche IR-Detektoren mit herkömmlichen Mikrobrückenstrukturen aufgrund der schlechten Absorption der THz-Strahlung eine geringe Empfindlichkeit im THz-Bereich auf [17].

Für eine verbesserte THz-Absorption der herkömmlichen Mikrobolometer-Mikrobrückenstruktur wurden einige Verbesserungen vorgenommen. Impedanzanpassungs-Metalldünnfilm, der nachweislich THz-Wellen aufgrund von Widerstandsverlusten absorbiert, ist die erste Wahl als absorbierende Schicht in Mikrobrückenstrukturen wegen seiner geringen Wärmekapazität, hohen Wärmeleitfähigkeit und guten Kompatibilität mit dem Herstellungsprozess von THz-Mikro- Bolometer [18, 19]. Die Absorption von Metalldünnfilmen kann durch Kontrolle des Herstellungsprozesses und Oberflächenmodifizierung weiter verbessert werden [20]. Allerdings ist die Absorptionswirkung eines einzelnen Metalldünnfilms mit einer idealen Absorptionsrate von 50 % begrenzt [21]. Metamaterial-Absorber und auf die Strahlerfrequenz abgestimmte Antenne können in Bolometern integriert werden, um eine hohe Absorption aufgrund von ohmschen Verlusten und dielektrischen Verlusten in der Struktur zu erzielen [22, 23]. Die antennengekoppelte Mikrobrückenstruktur hat sich als effektiverer Weg erwiesen, um eine hohe Absorption und Empfindlichkeit zu erreichen, da sie bei der Integration mit Mikrobolometern besser kompatibel ist. Die Antenne bietet eine hohe Absorption von THz-Wellen, während die Mikrobrückenstruktur eine leistungsstarke thermische Erkennung gewährleistet. Antennengekoppeltes Vanadiumoxid (VO_x ). Die Echtzeit-Bildgebung bei 2,5 THz wurde von CEA-Leti unter Verwendung von antennengekoppelten Mikrobolometer-FPAs mit einer QCL als THz-Strahlungsquelle entwickelt [27]. In den meisten Fällen werden planare Antennenstrukturen für eine große Absorptionsfläche und einen einfachen Herstellungsprozess verwendet. Drahtantennen mit einem kleineren Volumen sind jedoch Planarantennen für eine schnellere Aufheizrate vorzuziehen, was zu einer geringeren thermischen Ansprechzeit führt [28].

In unserer früheren Forschung [29] wurde eine spiralförmige Drahtantenne in 35 μm × 35 μm Mikrobolometer-Mikrobrückenstruktur eingeführt, und eine neue Art von Spiralantenne mit verlängerten Beinen wurde vorläufig für eine verbesserte Absorption der 2,52 THz-Welle vorgestellt . Ein optimiertes Design der Antennenstruktur und detaillierte Diskussionen über ihre Eigenschaften der THz-Absorption, des photothermischen Effekts und des Herstellungsprozesses wurden jedoch nicht erreicht. In diesem Papier werden basierend auf einer Mikrobrückenstruktur mit einer viel kleineren Größe von 25 μm × 25 μm drei Arten von Spiralantennen für die THz-Absorptionsverstärkung und die Absorptionsfrequenzmodulation mit einer einzigen separaten Linearantenne und zwei separaten Linearantennen vorgeschlagen , oder zwei verbundene Linearantennen auf den Brückenbeinen, zusätzlich zur herkömmlichen Spiralantenne auf der Trägerschicht. Durch Optimierung der Strukturparameter und Analyse der Absorptionscharakteristik für jeden Antennentyp werden bevorzugte Schemata von antennengekoppelten Mikrobrückenstrukturen für einen breiten Absorptionspeak nahe 2,52 THz oder eine stabile Absorption bei 2,52 THz mit hoher Integration, vereinfachtem Herstellungsprozess und . erhalten schnelle Aufheizrate.

Ergebnisse und Diskussion

Die spiralförmigen Antennen wurden für die Absorptionsverstärkung und Modulation von THz-Mikrobolometer-FPAs basierend auf Mikrobrückenstrukturen mit einer Zielfrequenz von 2,52 THz entwickelt. Ein einzelnes Pixel in den FPAs mit einem Pixelabstand von 25 μm, wie in Abb. 1a gezeigt, besteht aus einem zentralen sensitiven Bereich mit einer Größe von etwa 20 μm × 20 μm und zwei langen Beinen, die den sensitiven Bereich tragen. Der sensitive Bereich besteht aus mehrlagigen Filmen mit einer Trägerschicht aus 0,4 μm Siliziumnitrid (Si₃ N₄ ) Folie, wärmeempfindliche Schicht (VO_x Dünnfilm) mit einer Dicke von 70 nm und eine spiralförmige Antenne, die als THz-Absorptionsschicht aus 0,05 μm Aluminium (Al)-Dünnfilm fungiert. Unterhalb des sensitiven Bereichs wird als Reflexionsschicht eine Nickel-Chrom-(NiCr)-Dünnschicht mit einer Dicke von 0,2 μm platziert, um einen Resonanzhohlraum von 2 μm Höhe zur optimierten Absorption von IR-Strahlung und thermischer Isolierung von THz-Strahlung zu bilden. Auf dem Si₃ . befindet sich eine spiralförmige Antennenstruktur N₄ Trägerschicht und begrenzt mit einem Außendurchmesser von 18 μm. Mit dem Ziel der Größenbeschränkung der Trägerschicht werden zusätzlich zur herkömmlichen spiralförmigen Antenne auf der in Fig. 1b gezeigten Trägerschicht neuartige antennengekoppelte Mikrobrückenstrukturen vom spiralförmigen Typ vorgeschlagen. Auf den Brückenschenkeln werden Linearantennen eingebracht und integriert, wodurch sich auf der Trägerschicht vergrößerte Flächen der ursprünglichen Spiralantennen ergeben. Abbildung 1c–e zeigt Spiralantennen mit einer einzelnen separaten Linearantenne, zwei separaten Linearantennen bzw. zwei verbundenen Linearantennen an den Brückenbeinen.

Entwurf spiralförmiger antennengekoppelter Mikrobrückenstrukturen. a Modell der Mikrobrückenstruktur. b Spiralantenne auf der Trägerschicht. c Spiralantenne mit einer einzelnen separaten Linearantenne an einem der Brückenschenkel. d Spiralantenne mit zwei separaten Linearantennen an den Brückenbeinen. e Spiralantenne mit zwei angeschlossenen Linearantennen an den Brückenbeinen. f Richtungen des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes für senkrecht einfallendes Licht

Spiralantenne auf der Trägerschicht

Die traditionelle spiralförmige antennengekoppelte Mikrobrückenstruktur, die in Fig. 1b gezeigt ist, wurde zuerst mit der Antenne auf der Trägerschicht untersucht. Die strukturellen Parameter (in Abb. 1b angegeben) der Spiralantenne wurden optimiert und der Einfluss jedes Parameters auf die THz-Absorptionseigenschaften wurde diskutiert.

Für spiralförmige Antenne auf der Trägerschicht mit einer Antennenlinienbreite von 1 μm und einem Drehwinkel (der Drehwinkel ausgehend von der Mitte der Antenne) von 360*n (n Änderungen von 0,5 bis 2,0), die Variationen der Absorptionsspitzenposition und der Spitzenabsorptionsrate von antennengekoppelten Mikrobrückenstrukturen mit n sind in Abb. 2a bzw. b gezeigt.

Variationskurven der Absorptionspeakposition (a ) und maximale Absorptionsrate (b ) und THz-Wellen-Absorptionskurven (c ) von Mikrobrückenstrukturen mit unterschiedlichen Drehwinkeln (360*n ) von spiralförmigen Antennen auf der Trägerschicht

Aus Abb. 2a, b ist ersichtlich, dass die Spitzenabsorptionsfrequenz und die Spitzenabsorptionsrate abnehmen, wenn n steigt von 0,5 auf 0,9. Die Spitzenresorptionsrate sinkt bei 4,1 THz auf 65 %, wenn n = 0,9 und steigt dann bei 3,5 THz auf 90 %, wenn n = 1. Wenn n = 1~1,5, die Spitzenabsorptionsfrequenz und die Spitzenabsorptionsrate nehmen mit zunehmendem Drehwinkel weiter ab. Die Spitzenabsorptionsfrequenz sinkt auf 2,64 THz, wenn n =1,5; die Spitzenabsorptionsrate sinkt jedoch auf 22,8%. Eine Absorption von 30 % wird bei 2,53 THz erreicht, wenn n = 1,6. Die minimale Spitzenabsorptionsfrequenz liegt bei 2,39 THz, wenn n = 1,7 und dann steigt die Absorptionsfrequenz auf 4,45 THz, wenn n = 1,8. Wenn n = 1,8~2, nimmt die Spitzenabsorptionsfrequenz wieder ab, während die Spitzenabsorptionsrate mit zunehmendem Drehwinkel zunimmt. Abbildung 2a deutet darauf hin, dass die Absorptionsfrequenz mit zunehmendem Drehwinkel in mehreren verschiedenen Bereichen, einschließlich n ., weiter abnimmt = 0.5~1, n = 1.1~1.7 und n = 1,8~2. Die Spitzenabsorptionsrate nimmt auch weiter ab, wenn n = 0.5~0.9, n = 1~1,5 und n = 1,6~1,7. Antennen mit größeren Drehwinkeln (360*n ) wenn n> 2 werden aufgrund der Größenbeschränkung der Trägerschicht nicht berücksichtigt. THz-Wellen-Absorptionskurven von Mikrobrückenstrukturen sind in Abb. 2c mit unterschiedlichen Drehwinkeln (360*n , n = 1.1~1.7) von spiralförmigen Antennen auf der Trägerschicht. Jede Absorptionskurve weist mehrere Absorptionspeaks entlang der Frequenzachse auf, und der Absorptionspeak bei der niedrigsten Frequenz wird verwendet, um die Abb. 2a, b darzustellen, mit dem Ziel einer optimierten Absorption von 2,52 THz-Wellen, die von hochenergetischem ferninfrarotem CO_{2 Gaslaser. Abbildung 2 zeigt, dass ein Absorptionspeak in der Nähe von 2,52 THz erhalten wird, wenn n = 1.6 mit einer geringen Absorptionsrate von 30%.}

Abbildung 3a, b zeigen THz-Wellen-Absorptionskurven von Mikrobrückenstrukturen mit spiralförmiger Antenne auf der Trägerschicht, wenn n = 1.6 mit unterschiedlicher Strichstärke (w ) und Abstand (g ), bzw. Es ist ersichtlich, dass die Spitzenabsorptionsfrequenz signifikant abnimmt, während die Spitzenabsorptionsrate mit zunehmender Linienbreite und -abstand langsam ansteigt. Eine ähnliche Schlussfolgerung wird erhalten, wenn n = 1.1. Die Zunahme der Linienbreite und des Abstands führt zu einer größeren Größe der Antenne. Es scheint, dass die Vergrößerung der Antennenfläche günstig ist, um die Absorptionsfrequenz zu reduzieren, aber sie trägt nicht viel zur Absorptionsrate bei.

THz-Wellen-Absorptionskurven von Mikrobrückenstrukturen mit spiralförmiger Antenne auf der Trägerschicht bei n = 1.6 mit unterschiedlicher Strichstärke (a ) und andere Abstände (b )

Eine schlechtere Absorption nahe 2,52 THz wird für eine spiralförmige antennengekoppelte Mikrobrückenstruktur mit einer Pixelgröße von 25 μm × 25 μm aufgrund einer kleineren Pixelgröße im Vergleich zu der in [29] berichteten Pixelstruktur von 35 μm × 35 μm erhalten. was eine höhere Absorptionsrate von 45 % bei 2,77 THz bietet, wenn n = 1,1 und 46 % bei 2,99 THz, wenn n = 2.1. Wie wir bereits festgestellt haben, ist die Vergrößerung der Antennenfläche ein effektiver Weg für die Absorptionsfrequenzmodulation, aber sie ist durch die Größe der Trägerschicht begrenzt und wird für 25 μm × 25 μm Pixel schwieriger.

Spiralantenne mit einer einzelnen separaten linearen Antenne an einem der Brückenschenkel

Die Beine der Mikrobrückenstruktur spielen die Rolle der mechanischen Stütze und der elektrischen und thermischen Kanäle. Lange Brückenschenkel können eine geringe Wärmeleitfähigkeit bereitstellen und die Wärmeisolationsleistung der Mikrobrückenstruktur verbessern. Es verringert jedoch auch die effektive Größe des empfindlichen Bereichs, wodurch die Größe des absorbierenden Films oder der absorbierenden Strukturen begrenzt wird. Um eine hohe Absorptionsrate bei niedrigerer Frequenz zu erreichen, werden Linearantennen an den Brückenbeinen für eine vergrößerte Antennenfläche eingeführt. Abbildung 1c zeigt eine Spiralantenne mit einer einzelnen separaten Linearantenne an einem der Brückenschenkel.

Unsere Untersuchungen ergaben, dass der Port der Linearantenne am Brückenschenkel in der Nähe der Seite des empfindlichen Bereichs einen starken Kopplungsabsorptionseffekt hatte. Also setzen wir den Drehwinkel auf 360*n (n = 1.1 und n = 1,6), die Linienbreite der Antenne auf 1 μm und den Abstand auf 2,5 μm (n = 1.1) und 1,4 μm (n = 1.6) und den Abstand angepasst (i , in Fig. 1c mit einer teilweise vergrößerten Zeichnung angedeutet) zwischen dem Antennenanschluss am Brückenbein und der Verbindung zwischen dem Brückenbein und dem empfindlichen Bereich. THz-Wellen-Absorptionskurven spiralförmiger antennengekoppelter Mikrobrückenstrukturen mit einer einzelnen separaten Linearantenne auf einem der Brückenschenkel für verschiedene Linearantennenpositionen, wenn n = 1.1 und n = 1,6 sind in Abb. 4a bzw. b gezeigt.

THz-Wellen-Absorptionskurven spiralförmiger antennengekoppelter Mikrobrückenstrukturen mit einer einzelnen separaten Linearantenne an einem der Brückenschenkel bei n = 1.1 (a ) und n = 1.6 (b ) für verschiedene Linearantennenpositionen

Wie in Abb. 4a gezeigt, erscheint ein neuer Absorptionspeak bei einer niedrigeren Frequenz, wenn die Antenne am Brückenzweig eingeführt wird, zusätzlich zu dem ursprünglichen Absorptionspeak in der Nähe von 3,5 THz. Wenn sich der Antennenanschluss am Brückenbein dem empfindlichen Bereich nähert (i von − 2,5 auf 2 μm ändert), bleibt die Absorption bei höherer Frequenz ungefähr gleich, während die Spitzenabsorptionsrate und die Absorptionsfrequenz bei niedrigerer Frequenz abnehmen. Es wird deutlich, dass die Antenne am Brückenbein zur Absorption bei niedrigerer Frequenz beiträgt. Die Absorptionskurven von Spiralantennen mit einer einzelnen separaten Linearantenne bei n = 1,6, in Abb. 4b gezeigt, zeigen einen breiten Absorptionspeak in der Nähe von 2,52 THz an. Dies liegt daran, dass die Absorptionsspitzen der Spiralantenne auf der Trägerschicht und die der Antenne auf dem Brückenschenkel in der geschlossenen Position auftreten. Als i von − 2,5 auf − 1 μm ändert, nähern sich die beiden Absorptionspeaks einander an und verbreitern die Absorptionsbande. Eine breite Absorption von mehr als 40 % kann in einer Bandbreite von 0,4 THz erreicht werden, wenn i = − 1,5 und ein einzelner breiter Absorptionspeak wird mit einer halben Peakbreite von 0,3 THz erreicht, wenn i = − 1.

Spiralantenne mit zwei separaten linearen Antennen an den Brückenbeinen

Für eine spiralförmige Antenne mit zwei separaten linearen Antennen, gezeigt in Fig. 1d, THz-Wellen-Absorptionskurven von spiralförmigen antennengekoppelten Mikrobrückenstrukturen für verschiedene lineare Antennenpositionen, wenn n = 1.1 und n = 1,6, mit denselben Einstellungen anderer Strukturparameter, einschließlich Linienbreite und -abstand, sind in Fig. 5a bzw. b gezeigt. Die Variationen der THz-Absorption haben im Allgemeinen die gleiche Tendenz wie bei einer spiralförmigen Antenne mit einer einzelnen separaten linearen Antenne, die in Fig. 4 gezeigt ist. Die beiden Schenkel der Mikrobrückenstruktur werden beide verwendet, um Antennen darauf vorzubereiten, so dass die Fläche der Antenne wird weiter vergrößert. Dies führt zu einer viel höheren Absorptionsrate (mehr als 90 %) bei niedrigerer Frequenz, wenn n = 1,1 wie in Fig. 5a gezeigt, verglichen mit der Spiralantenne mit einer einzelnen separaten linearen Antenne. Die Einführung von Antennen auf Brückenbeinen erhöht auch die Absorption bei der ursprünglichen höheren Frequenz. Breite Absorptionspeaks werden auch in Abb. 5b erhalten, wenn n = 1,6 und die Absorptionen werden deutlich verbessert. Daraus kann geschlossen werden, dass eine Spiralantenne mit zwei separaten Linearantennen an den Brückenbeinen bei n = 1,6 ist aufgrund seiner höheren Absorption im breiteren Band besser geeignet, um in THz-Mikrobolometer-FPAs basierend auf Mikrobrückenstrukturen verwendet zu werden.

THz-Wellen-Absorptionskurven spiralförmiger antennengekoppelter Mikrobrückenstrukturen mit zwei separaten Linearantennen an den Brückenschenkeln bei n = 1.1 (a ) und n = 1.6 (b ) für verschiedene Linearantennenpositionen

Abbildung 6 zeigt die Energiedichtediagramme des elektrischen Felds und des magnetischen Felds für die drei zuvor entwickelten Arten von spiralförmigen antennengekoppelten Mikrobrückenstrukturen. Aus Fig. 6a, b ist ersichtlich, dass bei einer spiralförmigen Antenne auf der Trägerschicht die Absorption der elektrischen Feldenergie hauptsächlich in der Mitte und an beiden Enden der spiralförmigen Antenne auftritt, während die Antennenlinie den größten Teil der Absorption beisteuert der Magnetfeldenergie, was mit unseren früheren Studien in [29] übereinstimmt. Abbildung 6c, d zeigt, dass am Port der einzelnen separaten linearen Antenne am Brückenschenkel in der Nähe der Seite des empfindlichen Bereichs ein starker Kopplungsabsorptionseffekt der elektrischen Feldenergie auftritt, und die Antenne am Schenkel trägt auch zur Absorption der magnetischen Feldenergie bei . Ähnliche Phänomene können für Spiralantennen mit zwei separaten Linearantennen an den Brückenschenkeln beobachtet werden, wie in Abb. 6e, f gezeigt. Die Absorption sowohl der elektrischen Feldenergie als auch der magnetischen Feldenergie wird im Absorptionsbereich erhöht und aufgrund des vergrößerten Antennenbereichs in der Absorptionsintensität erhöht. Abbildung 6g, h zeigt die Leistungsverlustverteilung in der Mikrobrückenstruktur gekoppelt mit einer Spiralantenne mit zwei separaten Linearantennen an den Brückenschenkeln, wenn n = 1.6 und i = − 2 aus Draufsicht bzw. Seitenansicht. Aus Abb. 6h ist deutlich zu erkennen, dass die Verlustleistung fast vollständig auf den zentralen sensiblen Bereich beschränkt ist, was einen Temperaturanstieg des thermosensitiven VO_x . begünstigt Dünnschicht im zentralen sensiblen Bereich integriert. Durch die zentrale spiralförmige Antenne induzierte Verlustleistung tritt hauptsächlich in der Antennenschicht auf, während der größte Teil der durch separate lineare Antennen auf den Brückenschenkeln verursachten Verluste in der Si₃ . auftritt N₄ Stützschicht. Dies bedeutet, dass die Absorptionsspitze bei höherer Frequenz in Abb. 5a durch den ohmschen Verlust der zentralen spiralförmigen Antenne verursacht wird, während die Absorptionsspitze bei niedrigerer Frequenz aufgrund des dielektrischen Verlustes separaten linearen Antennen an den Brückenschenkeln zugeschrieben wird, was zur Form beiträgt ein breiter Absorptionspeak, wie in Fig. 5b gezeigt. Basierend auf den Transmissions- und Reflexionskoeffizienten (S Parameter) der Struktur können die Streudaten invertiert werden, um den Brechungsindex (n ) und Impedanz (z ), aus denen in sich konsistente Werte für die effektive Permittivität (ε ) und Durchlässigkeit (μ ) erhältlich [30]. Abbildung 7a, b zeigen die Real- und Imaginärteile der effektiven Permeabilität und Permittivität als Funktion der Frequenz für die Mikrobrückenstruktur, die mit einer Spiralantenne mit zwei separaten Linearantennen gekoppelt ist, wenn n = 1.6 und i = − 2. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass um 2,52 THz offensichtliche Resonanzen auftreten, die den Verlust der THz-Strahlung und die beiden Absorptionspeaks induzieren, wie in Abb. 5b gezeigt.

Verteilung der Energiedichte des elektrischen Felds, der Energiedichte des magnetischen Felds und der Verlustleistung. Energiedichtediagramme des elektrischen Felds (a ) und Magnetfeld (b ) für spiralförmige Antenne auf der Trägerschicht, wenn n = 1,6; Energiedichtediagramme des elektrischen Feldes (c ) und Magnetfeld (d ) für Spiralantennen mit einer einzelnen separaten Linearantenne, wenn n = 1.6 und i = − 2; Energiedichtediagramme des elektrischen Feldes (e ) und Magnetfeld (f ) für Spiralantennen mit zwei separaten Linearantennen, wenn n = 1.6 und i = − 2; Verlustleistungsverteilung in der Mikrobrückenstruktur gekoppelt mit Spiralantenne mit zwei separaten Linearantennen bei n = 1.6 und i = − 2 aus der Draufsicht (g ) und Seitenansicht (h )

Real- und Imaginärteil der effektiven Permeabilität (a ) und Permittivität (b ) als Funktion der Frequenz für Mikrobrückenstruktur gekoppelt mit spiralförmiger Antenne mit zwei separaten linearen Antennen, wenn n = 1.6 und i = − 2

Spiralantenne mit zwei verbundenen linearen Antennen an den Brückenbeinen

Eine andere Art von spiralförmiger Antenne, gezeigt in Fig. 1e, wurde mit zwei verbundenen linearen Antennen an den Brückenschenkeln vorgeschlagen. Abbildung 8 zeigt THz-Wellen-Absorptionskurven von spiralförmigen antennengekoppelten Mikrobrückenstrukturen bei n = 1.6, g (Abstand) = 1.4 μm für unterschiedliche Linienbreiten (f ). In Abb. 8 sind zwei scheinbare Absorptionspeaks zu sehen. Die Peakabsorptionsposition bewegt sich mit zunehmender Antennenlinienbreite langsam zu einer niedrigeren Frequenz, während sich die Peakabsorptionsrate wenig ändert. Eine Absorption von etwa 70 % wird bei 2,52 THz erreicht, wenn f = 1 μm und die Absorptionsrate jeder Kurve bei 2,52 THz bei f = 0,8~ 1,1 μm liegt über 50 %. Dies deutet darauf hin, dass die Breitendifferenz der Antennenleitung, die durch den Herstellungsprozess verursacht werden kann, einen geringen Einfluss auf die THz-Absorption hat, was dem Design spiralförmiger antennengekoppelter Mikrobrückenstrukturen förderlich ist und die Herstellungs- und Realisierungsschwierigkeiten verringert der entworfenen Strukturen für eine größere Redundanz ist zulässig.

THz-Wellen-Absorptionskurven spiralförmiger antennengekoppelter Mikrobrückenstrukturen mit zwei verbundenen Linearantennen an den Brückenschenkeln für unterschiedliche Linienbreiten (f )

Abbildung 9 zeigt die Energiedichtediagramme des elektrischen Felds und des magnetischen Felds für eine Spiralantenne mit zwei verbundenen Linearantennen an den Brückenschenkeln bei einer Linienbreite von 1 μm. Der in Fig. 9a gezeigte Absorptionsbereich der elektrischen Feldenergie tritt hauptsächlich im sensiblen Bereich und im Verbindungsbereich zwischen den Brückenschenkeln und dem sensiblen Bereich auf. Die Absorption der Magnetfeldenergie, die in Fig. 9b gezeigt ist, wird hauptsächlich dem Beitrag der Antenne auf der Trägerschicht zugeschrieben. Der größte Teil der Absorption findet auf der Trägerschicht statt und kann in einen Temperaturanstieg des VO_x . umgewandelt werden dünner Film.

Energiedichtediagramme des elektrischen Felds (a ) und Magnetfeld (b ) für spiralförmige antennengekoppelte Mikrobrückenstrukturen mit zwei verbundenen Linearantennen an den Brückenschenkeln und einer Linienbreite von 1 μm

Das Design einer Spiralantenne mit zwei separaten Linearantennen oder zwei verbundenen Linearantennen an den Brückenschenkeln, wie in Abb. 1d, e gezeigt, ist eine gute Lösung für eine hohe Absorptionsrate bei einer niedrigen Absorptionsfrequenz von 2,52 THz, wenn der Drehwinkel . ist auf 360*n eingestellt (n = 1,6). Die Spiralantenne mit zwei separaten Linearantennen bietet eine breite Absorptionsspitze in der Nähe von 2,52 THz, während die Spiralantenne mit zwei verbundenen Linearantennen eine relativ stabile Absorptionsspitze bei Änderung der Antennenlinienbreite aufweist. Ein weiterer Vorteil einer spiralförmigen Antenne mit zwei verbundenen Linearantennen besteht darin, dass die Antenne als Elektrodenleitung für eine hohe Integration und Prozessvereinfachung dienen kann, da die Antenne und die Elektrodenleitungsschicht durch einen einstufigen Photolithographie- und Musterprozess hergestellt werden können. Dies bietet eine hochintegrierte spiralförmige antennengekoppelte Mikrobrückenstruktur mit hoher Absorption bei 2,52 THz und eine hochkompatible, prozessvereinfachte Methode zur Realisierung der Struktur.

Bei THz-Detektoren mit antennengekoppelter Mikrobrückenstruktur beträgt die thermische Ansprechzeit (τ ) hängt von seiner effektiven Wärmeleitfähigkeit (G _eff ) und Gesamtwärmekapazität (C _tot ) über τ = C _tot /G _eff . G _eff wird über G . definiert _eff = G _Bein − αV _{Voreingenommenheit} Ich ₀ , wobei α ist der Temperaturkoeffizient des Stroms und V _{Voreingenommenheit} und ich ₀ sind die Vorspannung bzw. der Strom des Detektors [31]. G _Bein = 2σ _te A /l ist die Wärmeleitfähigkeit der Brückenschenkel, wobei σ _te ist die Beinwärmeleitfähigkeit und A und l sind die Querschnittsfläche bzw. die Länge der Brückenschenkel. Es wird mit 2 multipliziert, da es zwei Beine gibt. Für eine bestimmte Mikrobrückenstruktur ist die Wärmeleitung der Brückenschenkel festgelegt; G _eff wäre auch behoben [32]. τ wird bestimmt von C _tot , die die Gesamtwärmekapazität der Antenne und der Mikrobrückenstruktur einschließlich der Last ist, sodass C _tot = C _Ameise + C _Brücke . Die Wärmekapazität der Antenne wird über C . definiert _Ameise = c _Ameise ρ _Ameise V _Ameise , wobei c _Ameise ist die spezifische Wärme der Antenne, ρ _Ameise die Massendichte der Antenne ist und V _Ameise ist das Antennenvolumen. C _Brücke ist ähnlich wie C . definiert _Ameise . Daraus kann geschlossen werden, dass C _tot wird hauptsächlich durch das Antennenvolumen (V _Ameise ) für ein bestimmtes Antennenmaterial auf einer festen Mikrobrückenstruktur. Aus diesem Grund erwarten wir eine Reduzierung des Antennenvolumens durch die Verwendung von Linearantennen anstelle von Planarantennen, um eine geringere thermische Reaktionszeit zu erreichen. Bei der in diesem Artikel entwickelten antennengekoppelten Mikrobrückenstruktur mit einer einzigen Metallschicht, die sowohl als Antennen- als auch Elektrodenleitungsschicht fungiert, wird die Gesamtwärmekapazität für C . weiter reduziert _tot ≈ C _Brücke . Angenommen, der zentrale sensitive Bereich einer Mikrobrückenstruktur besteht aus Si₃ N₄ Film mit einer Größe von etwa 20 μm × 20 μm und einer Dicke von 0,4 μm, und die Antennenschicht besteht aus einem Al-Dünnfilm mit einer Dicke von 0,05 μm und bedeckt 1/3 der empfindlichen Fläche, die Wärmekapazität von Si₃ N₄ Film und die Al-Antenne können berechnet werden, da die spezifische Wärmekapazität und Massendichte von PECVD Si₃ N₄ Folien sind 0,17 J/(g*K) und 2500 kg/m ³ , während die des Al-Dünnfilms 0,91 J/(g*K) und 2700 kg/m ³ . beträgt , bzw. Die Ergebnisse legen nahe, dass bei der antennengekoppelten Mikrobrückenstruktur mit einer einzelnen Antenne und Elektrodenleitungsschicht die Gesamtwärmekapazität auf 83,7% der herkömmlichen Mikrobrückenstruktur mit zwei Metallschichten, die als Antenne und Elektrodenleitung fungieren, reduziert werden kann Schicht getrennt, und die thermische Ansprechzeit kann bei gleicher Wärmeleitfähigkeit der Mikrobrückenstruktur um 16,3% reduziert werden. Dies bietet die Möglichkeit von Anwendungen in Hochleistungs-THz-Mikrobolometer-Detektoren mit schneller Reaktion.

Schlussfolgerungen

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.

Methods

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 Flugzeug. 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 N₄ 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.

Abkürzungen

FET:

Field effect transistors

FPA:

Focal plane array

IR:

Infrarot

MOSFET:

Metal-oxide-semiconductor FET

NiCr:

Nickel–chromium

PBC:

Periodic boundary conditions

QCL:

Quantum cascade lasers

QW:

Quantenbrunnen

Si₃ N₄ :

Silicon nitride

SIS:

Superconductor–insulator–superconductor tunnel junction

THz:

Terahertz

VO_x :

Vanadium oxide