Breitband-THz-Absorption eines Mikrobolometer-Arrays integriert mit Split-Ring-Resonatoren

Einführung

Die Terahertz-Welle (THz) mit einer Wellenlänge von 30 μm bis 3 mm ist ein sehr wichtiger, aber selten erforschter Teil des elektromagnetischen Spektrums. Anwendungen der THz-Technologie umfassen Sicherheitsüberprüfungen [1, 2], Medizin [3, 4], Kommunikation [5, 6] und Astronomie [7]. Die THz-Technologie hat in den letzten Jahren aufgrund der Entwicklung von Quellen und Geräten zur Erzeugung und Detektion von THz-Wellen enorme Fortschritte gemacht [8, 9]. THz-Detektoren basieren hauptsächlich auf dem photoelektrischen Effekt und dem thermischen Effekt. Photonendetektoren wie supraleitende Bolometer können für eine hochempfindliche und schnelle Detektion verwendet werden [10, 11]; es muss jedoch auf eine extrem niedrige Temperatur abgekühlt werden. Thermobolometer-Detektoren, die THz-Wellen absorbieren und eine Temperaturänderung des wärmeempfindlichen Films bewirken, können bei Raumtemperatur betrieben werden und haben große Vorteile bei der Integration großer Arrays, einfacher Konfiguration und geringen Kosten [12,13,14]. Das THz-Mikrobolometer-Array besteht aus Pixeln mit Mikrobrückenstruktur, die aus der ausgereiften Infrarot (IR)-Mikrobolometer-Technologie mit dem gleichen thermischen Umwandlungsmechanismus, der mit einer THz-Quelle ausgestattet ist, entwickelt wurde. Ein kritischer Nachteil der herkömmlichen Mikrobrückenstruktur ist ihre schlechte Absorption von THz-Wellen, die eine geringe Empfindlichkeit verursacht. Einige Verbesserungen wurden an der Mikrobrückenstruktur für eine verbesserte THz-Absorption vorgenommen, einschließlich der Integration eines impedanzangepassten metallischen Dünnfilms und einer auf die Zielfrequenz abgestimmten Antenne [15,16,17,18]. Jedoch weist ein metallischer Dünnfilm eine begrenzte Absorption auf (~50%), während eine antennengekoppelte Mikrobrückenstruktur im Allgemeinen eine schmale Absorptionsspitze der THz-Welle aufweist. Um eine hohe THz-Absorption in einem breiten Spektralbereich zu erreichen, können auf der Oberseite eines herkömmlichen Dreischichtabsorbers eine dünne dielektrische Schicht und eine dünne Metallschicht hinzugefügt werden [19]. Das phasengekoppelte Verfahren und die starke Kopplungsantwort können auch die Absorptionsbandbreite verbessern oder eine Mehrbandabsorption realisieren [20,21,22,23]. Die meisten Strukturen können jedoch nicht in die kleinen Pixel mit Mikrobrückenstrukturen des THz-Mikrobolometer-Arrays integriert werden, ohne die thermischen und mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Der Split-Ring-Resonator ist eine umfassend untersuchte Struktur zur Manipulation elektromagnetischer Wellen durch Anregung von Oberflächenplasmonen, die in der periodischen Struktur gefangen sind [24, 25]. In diesem Artikel wird mit dem Ziel, die Absorption des THz-Mikrobolometer-Arrays zu verbessern, ein metallischer Spaltring mit vier Öffnungen in die Mikrobrückenstruktur mit einer kleinen Größe von 35 μm × 35 μm integriert. Um die Absorptionsbandbreite zu erhöhen, werden periodische Strukturen von Split-Ring-Resonatoren in Kombination mit einem weiteren Split-Ring und einer metallischen Scheibe untersucht. Eine breitbandige THz-Absorption wird durch die Kopplung der Absorptionspeaks verschiedener Strukturen erreicht. Die Doppelringstruktur in Kombination mit einer Aluminium(Al)-Scheibe bietet eine breitbandige THz-Wellenabsorption im Bereich von 4–7 THz mit der höchsten Absorption von 90% und der niedrigsten Absorption von mehr als 40%. Die phasengekoppelte Methode und das starke Kopplungsverhalten können auch die Bandbreite oder die Realisierung der Mehrbandabsorption verbessern.

Ergebnisse und Diskussion

Das THz-Mikrobolometer-Array besteht aus vielen Mikrobrückenstrukturpixeln in zweidimensionaler wiederholter Anordnung auf der Brennebene. Jedes Pixel misst unabhängig die THz-Strahlung. Die Mikrobrückenstruktur ist in Abb. 1a gezeigt, die aus einem empfindlichen mehrschichtigen Film und zwei den Film tragenden Beinen besteht. Der mehrschichtige Film enthält eine 250-nm-Trägerschicht (Siliziumnitrid, Si₃ N₄ ), ein wärmeempfindlicher 60-nm-Film (Vanadiumoxid, VO_x ), eine 150-nm-Passivierungsschicht (Si₃ N₄ ) und einer THz-Wellen-Absorptionsschicht (Al) von unten nach oben. Die Beine werden für mechanische Unterstützung, elektrische und thermische Kanäle verwendet. VO_x Film ist durch die Beine mit den Elektroden der Ausleseschaltung (ROIC) verbunden, die in Silizium (Si)-Substrat integriert ist. Die von der Absorptionsschicht absorbierte THz-Welle verursacht eine Temperaturänderung des mehrschichtigen Films und eine Widerstandsänderung von VO_x Film, der von ROIC erkannt wird. Zwischen der reflektierenden Schicht (Al) mit einer Dicke von 400 nm auf dem Si-Substrat und dem empfindlichen mehrschichtigen Film wird ein 2 μm hoher Hohlraum zur Wärmedämmung gebildet. In diesem Beitrag ist ein Spaltring mit vier Öffnungen, wie in Abb. 1b gezeigt, als THz-Absorptionsschicht in die Mikrobrückenstruktur integriert. Um die THz-Absorptionsbandbreite zu erhöhen, eine Doppelringstruktur wie in Fig. 1c gezeigt, ein geteilter Ring kombiniert mit einer Al-Scheibe wie in Fig. 1d gezeigt und eine Doppelringstruktur kombiniert mit einer Al-Scheibe wie in Fig. 1e gezeigt werden ebenfalls studiert.

Design einer Mikrobrückenstruktur gekoppelt mit Split-Ring-Resonatoren. a Schnittansicht der Mikrobrückenstruktur. b Spaltring mit vier Öffnungen. c Dual-Ring-Struktur. d Ein Spaltring kombiniert mit einer Al-Scheibe. e Doppelringstruktur kombiniert mit einer Al-Scheibe. f Eine einzelne Elementarzelle eines THz-Mikrobolometer-Arrays, beleuchtet durch vertikales einfallendes Licht

Abbildung 2a zeigt die THz-Wellenabsorption von periodischen Split-Ring-Strukturen mit unterschiedlichen Öffnungsweiten (s ). Die Spaltringe haben einen Außenradius von 15 μm, einen Innenradius von 10 μm und eine Dicke von 10 nm. Wenn die Öffnungsweite der Spaltringe 1 μm, 2 μm, 4 μm und 6 μm beträgt, beträgt die Resonanzabsorptionsfrequenz 5 THz, 5,7 THz, 6,2 THz bzw. 7,1 THz. Die Spitzenabsorption jeder Struktur beträgt etwa 100 %. Mit zunehmender Öffnungsweite nimmt die Resonanzabsorptionsfrequenz zu. Die Öffnungen des Spaltrings können als äquivalente Kapazität (C ) während der metallische Ringteil des Spaltrings als äquivalente Induktivität (L ) und die Resonanzfrequenz (\(\omega\)) können als \(\omega =\frac{1}{\sqrt{LC}}\) ausgedrückt werden. Die Vergrößerung der Öffnungsweite führt zu einer Verringerung der äquivalenten Kapazität und einer Erhöhung der Resonanzfrequenz. Daher kann mit einer kleineren Öffnungsweite des Spaltrings eine hohe Resonanzabsorption bei einer niedrigeren Frequenz erreicht werden. Abbildung 2b zeigt die THz-Wellenabsorption von periodischen Split-Ring-Strukturen mit unterschiedlichen Ringbreiten (d ). Die Spaltringe haben einen Außenradius von 15 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und eine Dicke von 10 nm. Es ist ersichtlich, dass mit abnehmender Ringbreite die Resonanzabsorptionsfrequenz und die Spitzenabsorption abnehmen. Die Spitzenabsorption erreicht 100 % bei 5,7 THz und 97 % bei 5,3 THz bei einer Ringbreite von 5 μm bzw. 3 μm. Wenn die Ringbreite 1 μm beträgt, beträgt die Resonanzabsorptionsfrequenz 5 THz und die Spitzenabsorption sinkt auf 60 %. Die Abnahme der Resonanzabsorptionsfrequenz wird der Zunahme der äquivalenten Induktivität mit abnehmender Ringbreite zugeschrieben.

a THz-Wellenabsorption von periodischen Split-Ring-Strukturen mit unterschiedlichen Öffnungsweiten (s ). Die Spaltringe haben einen Außenradius von 15 μm, einen Innenradius von 10 μm und eine Dicke von 10 nm. b THz-Wellenabsorption von periodischen Split-Ring-Strukturen mit unterschiedlichen Ringbreiten (d ). Die Spaltringe haben einen Außenradius von 15 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und eine Dicke von 10 nm

Die periodische Spaltringstruktur kann eine hohe THz-Wellenabsorption bei der Resonanzfrequenz bereitstellen. Der Absorptionspeak ist jedoch schmal. Um die Absorptionsbandbreite zu erhöhen, werden periodische Strukturen mehrerer verschiedener Kombinationen von Split-Ring und Al-Scheibe in Mikrobrückenstruktur-Arrays integriert. Abbildung 3a zeigt die THz-Wellenabsorption von periodischen Doppelringstrukturen mit unterschiedlichem Außenradius des inneren Split-Rings (r _ich ). Die Doppelringstruktur hat eine Öffnungsweite von 2 μm und eine Dicke von 10 nm. Der Außenradius des äußeren Spaltrings beträgt 17 μm und die Breite beider Spaltringe beträgt 2 μm. Die Doppelringstrukturen haben zwei Absorptionspeaks. Wenn der Außenradius des inneren Split-Rings von 11 auf 13 μm zunimmt, bleibt eine Resonanzabsorptionsfrequenz unverändert bei 3,3 THz, während die andere Resonanzabsorptionsfrequenz von 5,1 auf 4,3 THz abnimmt. Die Absorptionspeaks bei niedrigerer Frequenz und höherer Frequenz werden jeweils durch den äußeren Split-Ring und den inneren Split-Ring beigesteuert. Wenn sich die beiden Spaltringe nähern, werden die beiden Absorptionspeaks miteinander gekoppelt und bilden eine breitere Absorptionsbande. Diese Struktur weist jedoch eine relativ geringe Absorption von 25–55% im Absorptionsband von 3,2–5,2 THz auf.

a THz-Wellenabsorption von periodischen Doppelringstrukturen mit unterschiedlichen Außenradien des inneren Split-Rings (r _ich ). Die Doppelringstrukturen haben eine Öffnungsweite von 2 μm und eine Dicke von 10 nm. Der Außenradius des äußeren Spaltrings beträgt 17 μm und die Breite beider Spaltringe beträgt 2 μm. b THz-Wellenabsorption periodischer Strukturen einer Kombination aus Split-Ring und Al-Scheibe mit unterschiedlichen Radien der Scheibe (r _d ). Die periodischen Strukturen haben eine Dicke von 10 nm. Der Spaltring hat einen Außenradius von 17 μm, eine Ringbreite von 2 μm und eine Öffnungsweite von 2 μm. c THz-Wellenabsorption periodischer Strukturen einer Kombination aus zwei Split-Ringen und einer Al-Scheibe mit unterschiedlichen Radien der Scheibe (r _d ). Die periodischen Strukturen haben eine Dicke von 10 nm. Die beiden Spaltringe haben eine Ringbreite von 2 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 14 μm

THz-Wellenabsorption periodischer Strukturen einer Kombination aus Split-Ring und Al-Scheibe mit unterschiedlichen Radien der Scheibe (r _d ) ist in Abb. 3b dargestellt. Die periodischen Strukturen haben eine Dicke von 10 nm. Der Spaltring hat einen Außenradius von 17 μm, eine Ringbreite von 2 μm und eine Öffnungsweite von 2 μm. Die periodischen Strukturen haben zwei Absorptionspeaks. Einer der Absorptionspeaks liegt in der Nähe von 4,3 THz, der sich nicht mit dem Radius der Al-Scheibe ändert. Mit der Vergrößerung des Radius der Scheibe von 6 auf 12 μm bewegt sich der andere Absorptionspeak bei höherer Frequenz in Richtung niedrigerer Frequenz und die Änderung der Peak-Absorption ist nicht signifikant. Der Absorptionspeak in der Nähe von 4,3 THz wird durch den geteilten Ring beigesteuert, während der Absorptionspeak bei höherer Frequenz, der sich mit der Änderung der Scheibenstruktur bewegt, von der Al-Scheibe beigesteuert wird. Wenn der Radius der Scheibe 12 μm beträgt, wird eine Breitbandabsorption mit einer Breite von etwa 2 THz erhalten. Abbildung 3c zeigt die THz-Wellenabsorption periodischer Strukturen einer Kombination aus zwei Split-Ringen und einer Al-Scheibe mit unterschiedlichen Radien der Scheibe (r _d ). Die periodischen Strukturen haben eine Dicke von 10 nm. Die beiden Spaltringe haben eine Ringbreite von 2 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 14 μm. Die Resonanzabsorptionsfrequenz liegt bei etwa 4,2 THz für den äußeren Split-Ring und zwischen 5,5 und 6 THz für den inneren Split-Ring. Wenn der Radius der Al-Scheibe 7 μm beträgt, liegt der Resonanzabsorptionspeak bei 8,2 THz. Wenn der Radius der Scheibe 9 μm beträgt, bewegt sich ihr Absorptionspeak auf 6,5 THz und koppelt mit dem Absorptionspeak des inneren Spaltrings. Die periodische Struktur einer Kombination aus zwei Split-Ringen und einer Al-Scheibe sorgt für eine breitbandige Absorption in 4–7 THz. Die höchste Absorption im Band erreicht 90 % und die niedrigste Absorption liegt über 40 %.

Abbildung 4 zeigt die Verteilung der Energiedichte des elektrischen Felds, der Energiedichte des magnetischen Felds und des Leistungsverlusts in der periodischen Doppelringstruktur in Kombination mit einer Al-Scheibe bei verschiedenen Resonanzabsorptionsfrequenzen. Die periodische Struktur hat eine Dicke von 10 nm. Die beiden Spaltringe haben eine Ringbreite von 2 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 14 μm. Die Al-Scheibe hat einen Radius von 9 μm. Wie in Abb. 3c gezeigt, weist diese periodische Struktur vier Absorptionspeaks bei den Frequenzen 4,28 THz, 5,74 THz, 6,5 THz und 8,5 THz auf. Die Verteilung der elektrischen Feldenergiedichte, der magnetischen Feldenergiedichte und des Leistungsverlusts bei den vier Resonanzabsorptionsfrequenzen zeigt die Hauptabsorptionsbereiche der THz-Welle in der Struktur. Es ist ersichtlich, dass der äußere Spaltring, der innere Spaltring und die Scheibe hauptsächlich zur Resonanzabsorption bei 4,28 THz, 5,74 THz bzw. 6,5 THz beitragen. Dies unterstützt die vorherige Analyse der Absorptionspeaks. Der niedrige Absorptionspeak bei 8,5 THz wird der Kopplung periodischer Strukturen zugeschrieben. Abbildung 4d zeigt die Schnittansicht der Verteilung der elektrischen Felddichte in der periodischen Doppelringstruktur in Kombination mit einer Al-Scheibe bei Resonanzabsorptionsfrequenzen von 5,74 THz und 6,5 THz. An der Metallschicht und der dielektrischen Schicht kann ein starkes elektrisches Feld beobachtet werden. Die Absorption wird hauptsächlich auf den ohmschen Verlust an der Metallschicht und den dielektrischen Verlust an der dielektrischen Schicht zurückgeführt. Der größte Teil der Absorption findet auf der Trägerschicht statt und kann in einen Temperaturanstieg des VO_x . umgewandelt werden dünner Film.

Draufsicht der Verteilung der elektrischen Felddichte (a ), magnetische Felddichteverteilung (b ), Leistungsverlust (c ) und Schnittansicht der Verteilung der elektrischen Felddichte (d ) in der periodischen Struktur zweier Spaltringe kombiniert mit einer Al-Scheibe bei unterschiedlichen Resonanzabsorptionsfrequenzen. Die periodische Struktur hat eine Dicke von 10 nm. Die beiden Spaltringe haben eine Ringbreite von 2 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 14 μm. Die Al-Scheibe hat einen Radius von 9 μm

THz-Wellenabsorption von periodischen Strukturen einer Kombination aus zwei Split-Ringen und einer Al-Scheibe mit unterschiedlichen Dicken (t ). Die Al-Scheibe hat einen Radius von 13 μm. Der Abstand zwischen benachbarten Strukturen beträgt 1 μm. Die Absorptionspeaks unterschiedlicher Strukturen sind miteinander gekoppelt und bilden eine breite Absorptionsbande. Mit zunehmender Dicke der Absorptionsschicht wird die Absorptionsbandbreite schmaler. Wenn die Dicke jedoch mehr als 30 nm beträgt, ändert sich die Absorptionscharakteristik der periodischen Struktur nicht wesentlich, was eine relativ stabile Absorption zeigt. In den periodischen Strukturen in Abb. 5b haben die beiden Spaltringe eine Ringbreite von 2 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 13 μm. Die Al-Scheibe hat einen Radius von 9 μm. Der Abstand zwischen benachbarten Strukturen beträgt 2 μm. Wenn die Dicke der Absorptionsschicht 10 nm beträgt, bietet diese periodische Struktur eine Breitbandabsorption bei 4–7 THz mit einer THz-Wellenabsorption von 40–90 % im Band. Mit zunehmender Dicke wird die Absorptionsbande allmählich zu zwei unabhängigen Absorptionspeaks. Obwohl die Spitzenabsorption sehr hoch ist, ist es schwierig, ein breites Absorptionsband der THz-Welle zu bilden.

THz-Wellenabsorption von periodischen Strukturen einer Kombination aus zwei Split-Ringen und einer Al-Scheibe mit unterschiedlichen Dicken (t ). a Zwei Spaltringe haben eine Ringbreite von 1 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 15 μm. Die Al-Scheibe hat einen Radius von 13 μm. b Zwei Spaltringe haben eine Ringbreite von 2 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 13 μm. Die Al-Scheibe hat einen Radius von 9 μm

Um das Absorptionsverhalten bei schräg einfallender Beleuchtung zu untersuchen, wurde die THz-Wellenabsorption periodischer Strukturen einer Kombination aus zwei Split-Ringen und einer Al-Scheibe mit unterschiedlichen Einfallswinkeln von 0° (normaler Einfall), 10°, 20°, 40 °, 60° und 80° sind simuliert und in Abb. 6 dargestellt. In den periodischen Strukturen haben die beiden Spaltringe eine Ringbreite von 2 µm, eine Öffnungsweite von 2 µm und einen Außenradius von 17 µm und 13 µm , bzw. Die Al-Scheibe hat einen Radius von 9 μm und eine Dicke von 10 nm. Der Abstand zwischen benachbarten Strukturen beträgt 2 μm. Wenn der Einfallswinkel zunimmt, bewegen sich die beiden Spitzenabsorptionsfrequenzen leicht in Richtung niedrigerer Frequenzen. Wenn der Einfallswinkel weniger als 30° beträgt, ist die Änderung der Spitzenabsorptionsrate nicht signifikant. Die Absorptionsstärke nimmt jedoch erheblich ab, wenn der Einfallswinkel größer als 40° ist.

THz-Wellenabsorption von periodischen Strukturen einer Kombination aus zwei Split-Ringen und einer Al-Scheibe mit unterschiedlichen Einfallswinkeln. Die beiden Spaltringe haben eine Ringbreite von 2 μm, eine Öffnungsweite von 2 μm und einen Außenradius von 17 μm bzw. 13 μm. Die Al-Scheibe hat einen Radius von 9 μm und eine Dicke von 10 nm

Schlussfolgerungen

Periodische Strukturen auf Basis von Al-Split-Ring-Resonatoren in Mikrobrückenstruktur-Arrays mit einer Einheitsgröße von 35 μm × 35 μm werden mit dem Ziel untersucht, die THz-Wellenabsorption zu verbessern und die Absorptionsbandbreite von THz-Mikrobolometern zu erhöhen. Die Resonanzabsorptionsfrequenz von Split-Ring-Resonatoren wird durch die Öffnungsweite und die Breite des Rings bestimmt. Periodische Strukturen mit einer Kombination aus Split-Ringen und Al-Scheibe werden in Mikrobrückenstruktur-Arrays integriert. Durch die Kopplung der Absorptionspeaks unterschiedlicher Strukturen wird die Absorptionsbandbreite effektiv erhöht. Durch die periodische Doppelringstruktur in Kombination mit einer Scheibe wird eine hohe THz-Wellenabsorption im Frequenzbereich von 4–7 THz mit einer Absorption von 40–90% erreicht. Die Struktur erfüllt die Anforderungen von THz-Mikrobolometern für kleine Pixelgröße, hohe Absorption und breites Spektrum.

Methoden

Wir führten numerische Finite-Elemente-Simulationen mit CST Microwave Studio 2016 durch. Wir simulierten eine einzelne kubische Elementarzelle eines THz-Mikrobolometer-Arrays mit einer Größe von 35 μm × 35 μm, wie in Abb. 1f gezeigt. Der Wellenvektor k propagiert durch die z Richtung mit perfektem elektrischem Feld in x–z Ebene und perfektes Magnetfeld in y–z Flugzeug. Wir legen die Eingangs- und Ausgangsports auf der Ober- und Unterseite der kubischen Elementarzelle fest, die als Port „1“ bzw. Port „2“ angezeigt werden. Die Simulation erzeugte den frequenzabhängigen Komplex S Parameter, aus denen wir den Reflexionsgrad R . erhalten haben =|S ₁₁ | ² an Port „1“ und Transmission T =|S₂₁ | ² an Port „2“ mit periodischen Randbedingungen (PBC) entlang der x und y Richtungen. Die Absorption der periodischen Struktur wurde über A . berechnet = 1 −|S ₁₁ | ² −|S ₂₁ | ² . Für die in Abb. 1b–e vorgeschlagenen Strukturen wurden die Al-Absorptionsschicht und die Reflexionsschicht mithilfe des Drude-Modells mit einer Plasmafrequenz von \({\omega}_{p}=\) 92.700 cm ^{−1<. modelliert /sup> und eine Streufrequenz von \({\omega}_{\tau}=\) 408 cm −1 [26]. Die Träger- und Passivierungsschicht mit einer Gesamtdicke von 400 nm wurde als optisches Si₃ . modelliert N₄ Film mit einer Dispersionspermittivität des Modells zweiter Ordnung (Fit) in CST und einer Permeabilität von 1. Der Hohlraum wurde mit einer Permittivität von 1 und einer Permeabilität von 0 S/m modelliert.}

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

THz:

Terahertz

IR:

Infrarot

Al:

Aluminium

Si₃ N₄ :

Siliziumnitrid

VO_x :

Vanadiumoxid

ROIC:

Integrierte Schaltung auslesen

Si:

Silizium

PBC:

Periodische Randbedingungen