Frequentiemodulatie en absorptieverbetering van THz-microbolometer met microbrugstructuur door spiraalvormige antennes

Resultaten en discussie

De spiraalvormige antennes zijn ontworpen voor absorptieverbetering en modulatie van THz microbolometer FPA's op basis van microbrugstructuren met een doelfrequentie van 2,52 THz. Een enkele pixel in de FPA's met een pixelafstand van 25 m, weergegeven in figuur 1a, bestaat uit een centraal gevoelig gebied met een grootte van ongeveer 20 μm  ×  20 m en twee lange benen die het gevoelige gebied ondersteunen. Het gevoelige gebied bestaat uit meerlagige films met een steunlaag van 0,4 μm siliciumnitride (Si₃ N₄ ) film, warmtegevoelige laag (VO_x dunne film) met een dikte van 70 nm, en een spiraalvormige antenne die fungeert als THz-absorptielaag van 0,05 μm aluminium (Al) dunne film. Een dunne film van nikkel-chroom (NiCr) met een dikte van 0,2 m wordt als een reflectielaag onder het gevoelige gebied geplaatst om een ​​resonantieholte van 2 μm hoog te vormen voor optimale absorptie van IR-straling en thermische isolatie van THz-straling. Spiraalvormige antennestructuur bevindt zich op de Si₃ N₄ steunlaag en begrensd met een buitendiameter van 18 μm. Gericht op de beperking van de grootte van de steunlaag, worden naast de traditionele spiraalvormige antenne op de steunlaag getoond in figuur 1b, nieuwe spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren voorgesteld. Lineaire antennes worden geïntroduceerd en geïntegreerd op de brugpoten, wat resulteert in grotere gebieden van de originele spiraalvormige antennes op de steunlaag. Afbeelding 1c–e toont spiraalvormige antennes met respectievelijk een enkele afzonderlijke lineaire antenne, twee afzonderlijke lineaire antennes en twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten.

Ontwerp van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren. een Model van microbrugstructuur. b Spiraalvormige antenne op de steunlaag. c Spiraalvormige antenne met een enkele afzonderlijke lineaire antenne op een van de brugpoten. d Spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten. e Spiraalvormige antenne met twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten. v Richtingen van elektrisch veld en magnetisch veld voor verticaal invallend licht

Spiraalvormige antenne op de ondersteuningslaag

Traditionele spiraalvormige antenne-gekoppelde microbrugstructuur, weergegeven in figuur 1b, werd eerst bestudeerd met de antenne op de steunlaag. De structurele parameters (aangegeven in figuur 1b) van de spiraalvormige antenne werden geoptimaliseerd en de invloed van elke parameter op de THz-absorptiekarakteristieken werd besproken.

Voor spiraalvormige antenne op de steunlaag met een antennelijnbreedte van 1 μm en een rotatiehoek (de rotatiehoek vanaf het midden van de antenne) van 360*n (n veranderingen in 0,5 ~ 2,0), de variaties van absorptiepiekpositie en piekabsorptiesnelheid van antennegekoppelde microbrugstructuren met n worden respectievelijk weergegeven in Fig. 2a, b.

Variatiecurves van absorptiepiekpositie (a ) en piekabsorptiesnelheid (b ) en THz-golfabsorptiecurves (c ) van microbrugstructuren met verschillende rotatiehoeken (360*n ) van spiraalvormige antennes op de steunlaag

Uit Fig. 2a, b blijkt dat de piekabsorptiefrequentie en piekabsorptiesnelheid afnemen wanneer n stijgt van 0,5 naar 0,9. De piekabsorptiesnelheid neemt af tot 65% bij 4,1 THz wanneer n = 0,9 en neemt vervolgens toe tot 90% bij 3,5 THz wanneer n = 1. Wanneer n = 1~1,5, de piekabsorptiefrequentie en piekabsorptiesnelheid blijven afnemen met de toename van de rotatiehoek. De piekabsorptiefrequentie neemt af tot 2,64 THz wanneer n = 1.5; de piekabsorptiesnelheid neemt echter af tot 22,8%. Een absorptie van 30% wordt verkregen bij 2,53 THz wanneer n = 1.6. De minimale piekabsorptiefrequentie treedt op bij 2,39 THz wanneer n = 1.7 en dan neemt de absorptiefrequentie toe tot 4.45 THz wanneer n = 1.8. Wanneer n = 1.8~2, de piekabsorptiefrequentie neemt weer af terwijl de piekabsorptiesnelheid toeneemt met de toename van de rotatiehoek. Figuur 2a suggereert dat de absorptiefrequentie blijft afnemen met de toename van de rotatiehoek in verschillende bereiken, waaronder n = 0.5~1, n = 1.1~1.7, en n = 1.8~2. De piekabsorptiesnelheid blijft ook afnemen wanneer n = 0,5~0,9, n = 1~1.5, en n = 1.6~1.7. Antennes met grotere draaihoeken (360*n ) wanneer n> 2 worden niet in aanmerking genomen vanwege de beperking van de grootte van de steunlaag. THz-golfabsorptiecurven van microbrugstructuren worden getoond in figuur 2c met verschillende rotatiehoeken (360*n , n = 1.1~1.7) van spiraalvormige antennes op de steunlaag. Elke absorptiecurve heeft meerdere absorptiepieken langs de frequentie-as, en de absorptiepiek bij de laagste frequentie wordt gebruikt om figuur 2a, b te plotten, gericht op een optimale absorptie van 2,52 THz-golf uitgestraald door hoogvermogen ver-infrarood CO₂ gas laser. Figuur 2 geeft aan dat een absorptiepiek wordt verkregen in de buurt van 2,52 THz wanneer n = 1.6 met een laag absorptiepercentage van 30%.

Afbeelding 3a, b toont THz-golfabsorptiecurven van microbrugstructuren met spiraalvormige antenne op de steunlaag wanneer n = 1.6 met verschillende lijndikte (w ) en spatiëring (g ), respectievelijk. Het is te zien dat de piekabsorptiefrequentie significant afneemt, terwijl de piekabsorptiesnelheid langzaam toeneemt met de toename van lijnbreedte en afstand. Een soortgelijke conclusie wordt verkregen wanneer n = 1.1. De toename van lijnbreedte en afstand leidt tot een grotere afmeting van de antenne. Het lijkt erop dat de vergroting van het antenneoppervlak gunstig is om de absorptiefrequentie te verminderen, maar het draagt ​​niet veel bij aan de absorptiesnelheid.

THz-golfabsorptiecurven van microbrugstructuren met spiraalvormige antenne op de steunlaag wanneer n = 1.6 met verschillende lijndikte (a ) en verschillende spaties (b )

Een slechtere absorptie in de buurt van 2,52 THz wordt verkregen voor een spiraalvormige antenne-gekoppelde microbrugstructuur met een pixelgrootte van 25 m  ×  25 μm vanwege een kleinere pixelgrootte vergeleken met 35 μm  ×  35 μm pixelstructuur gerapporteerd in [29] wat zorgt voor een hogere absorptiesnelheid van 45% bij 2,77 THz wanneer n = 1.1 en 46% bij 2.99 THz wanneer n = 2.1. Zoals we eerder hebben geconcludeerd, is het vergroten van het antennegebied een effectieve manier voor absorptiefrequentiemodulatie, maar het wordt beperkt door de grootte van de steunlaag en het wordt ernstiger voor 25 μm  ×  25 μm pixel.

Spiraalvormige antenne met een enkele afzonderlijke lineaire antenne op een van de brugpoten

De poten van de microbrugstructuur spelen de rol van mechanische ondersteuning en elektrische en thermische kanalen. Lange brugpoten kunnen een lage thermische geleidbaarheid bieden en de thermische isolatieprestaties van de microbrugstructuur verbeteren. Het vermindert echter ook de effectieve grootte van het gevoelige gebied, waardoor de grootte van de absorberende film of structuren wordt beperkt. Om een ​​hoge absorptiesnelheid bij een lagere frequentie te bereiken, worden lineaire antennes op de brugpoten geïntroduceerd voor een groter oppervlak van de antennes. Afbeelding 1c toont een spiraalvormige antenne met een enkele afzonderlijke lineaire antenne op een van de brugpoten.

Ons onderzoek gaf aan dat de poort van de lineaire antenne op het brugbeen nabij de zijde van het gevoelige gebied een sterk koppelingsabsorptie-effect had. Dus stellen we de rotatiehoek in op 360*n (n = 1.1 en n = 1.6), de lijnbreedte van de antenne tot 1 μm en de afstand tot 2,5 μm (n = 1.1) en 1.4 μm (n = 1.6) en de afstand aangepast (i , aangegeven in Fig. 1c met een gedeeltelijk vergrote tekening) tussen de antennepoort op de brugpoot en de verbinding tussen de brugpoot en het gevoelige gebied. THz-golfabsorptiecurven van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren met een enkele afzonderlijke lineaire antenne op een van de brugpoten voor verschillende lineaire antenneposities wanneer n = 1.1 en n = 1.6 worden respectievelijk getoond in Fig. 4a, b.

THz-golfabsorptiecurven van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren met een enkele afzonderlijke lineaire antenne op een van de brugpoten wanneer n = 1.1 (een ) en n = 1.6 (b ) voor verschillende lineaire antenneposities

Zoals te zien is in figuur 4a, verschijnt er een nieuwe absorptiepiek bij een lagere frequentie wanneer de antenne op het brugbeen wordt geïntroduceerd, naast de oorspronkelijke absorptiepiek in de buurt van 3,5 THz. Als de antennepoort op de brugpoot dicht bij het gevoelige gebied komt (i verandert van − 2,5 tot 2 μm), blijft de absorptie bij hogere frequenties ongeveer gelijk, terwijl de piekabsorptiesnelheid en de absorptiefrequentie afnemen bij lagere frequenties. Het wordt duidelijk dat de antenne op het brugbeen bijdraagt ​​aan de absorptie bij lagere frequentie. De absorptiecurves van spiraalvormige antennes met een enkele afzonderlijke lineaire antenne wanneer n = 1.6, weergegeven in Fig. 4b, geeft een brede absorptiepiek in de buurt van 2,52 THz aan. Dit komt omdat de absorptiepieken van de spiraalvormige antenne op de steunlaag en die van de antenne op het brugbeen in de gesloten positie optreden. Als ik verandert van − 2,5 tot − 1 μm, komen de twee absorptiepieken dicht bij elkaar en verbreden ze de absorptieband. Een brede absorptie van meer dan 40% kan worden verkregen in een bandbreedte van 0,4 THz wanneer i = − 1,5 en een enkele brede absorptiepiek wordt bereikt met een halve piekbreedte van 0,3 THz wanneer i = − 1.

Spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten

Voor spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes, weergegeven in figuur 1d, THz-golfabsorptiecurven van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren voor verschillende lineaire antenneposities wanneer n = 1.1 en n = 1.6, met dezelfde instellingen van andere structuurparameters, inclusief lijnbreedte en afstand, worden respectievelijk getoond in Fig. 5a, b. De variaties van THz-absorptie hebben in het algemeen dezelfde tendens als die van een spiraalvormige antenne met een enkele afzonderlijke lineaire antenne, getoond in Fig. 4. De twee benen van de microbrugstructuur worden beide gebruikt om antennes op voor te bereiden, zodat het gebied van de antenne verder vergroot. Dit resulteert in een veel hogere absorptiesnelheid (meer dan 90%) bij een lagere frequentie wanneer n = 1.1 zoals weergegeven in Fig. 5a vergeleken met die van een spiraalvormige antenne met een enkele afzonderlijke lineaire antenne. De introductie van antennes op brugpoten verhoogt ook de absorptie bij oorspronkelijk hogere frequentie. Brede absorptiepieken worden ook verkregen in figuur 5b wanneer n = 1.6 en de absorpties zijn aanzienlijk verbeterd. Er kan worden geconcludeerd dat een spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten wanneer n = 1.6 is meer geschikt om te worden gebruikt in THz microbolometer FPA's op basis van microbrugstructuren vanwege de hogere absorptie in bredere band.

THz-golfabsorptiecurven van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren met twee afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten wanneer n = 1.1 (een ) en n = 1.6 (b ) voor verschillende lineaire antenneposities

Figuur 6 toont de energiedichtheidsdiagrammen van elektrisch veld en magnetisch veld voor de drie soorten spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren die eerder zijn ontworpen. Uit Fig. 6a, b blijkt dat voor een spiraalvormige antenne op de steunlaag de absorptie van elektrische veldenergie voornamelijk plaatsvindt in het midden en beide uiteinden van de spiraalvormige antenne, terwijl de antennelijn het grootste deel van de absorptie bijdraagt van magnetische veldenergie, wat overeenkomt met onze eerdere studies gerapporteerd in [29]. Figuur 6c, d laat zien dat een sterk koppelingsabsorptie-effect van elektrische veldenergie optreedt bij de poort van de enkele afzonderlijke lineaire antenne op het brugbeen nabij de zijde van het gevoelige gebied, en de antenne op het been draagt ​​ook bij aan de absorptie van magnetische veldenergie . Soortgelijke verschijnselen kunnen worden waargenomen voor een spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten, zoals weergegeven in Fig. 6e, f. De absorptie van zowel elektrische veldenergie als magnetische veldenergie wordt verhoogd in absorptiegebied en verbeterd in absorptie-intensiteit als gevolg van vergroot antennegebied. Afbeelding 6g, h toont de verdeling van het vermogensverlies in de microbrugstructuur in combinatie met een spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten wanneer n = 1.6 en i = − 2 van respectievelijk bovenaanzicht en zijaanzicht. Uit Fig. 6h is duidelijk te zien dat het vermogensverlies bijna volledig beperkt is tot het centrale gevoelige gebied, wat gunstig is om temperatuurstijging van warmtegevoelige VO_x te veroorzaken dunne film geïntegreerd in het centrale gevoelige gebied. Vermogensverlies veroorzaakt door centrale spiraalvormige antenne treedt voornamelijk op in de antennelaag, terwijl het meeste verlies veroorzaakt door afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten optreedt in de Si₃ N₄ ondersteunende laag. Dit betekent dat de absorptiepiek bij hogere frequentie in figuur 5a wordt veroorzaakt door ohms verlies van centrale spiraalvormige antenne, terwijl de absorptiepiek bij lagere frequentie wordt toegeschreven aan afzonderlijke lineaire antennes op de brugpoten als gevolg van diëlektrisch verlies, wat bijdraagt ​​​​aan de vorm een brede absorptiepiek zoals weergegeven in figuur 5b. Gebaseerd op de transmissie- en reflectiecoëfficiënten (S parameters) van de structuur, kunnen de verstrooiingsgegevens worden omgekeerd om de brekingsindex (n) te bepalen ) en impedantie (z ), waaruit zelfconsistente waarden voor effectieve permittiviteit (ε ) en doorlaatbaarheid (μ ) kan worden verkregen [30]. Afbeelding 7a, b toont de reële en denkbeeldige delen van effectieve permeabiliteit en permittiviteit als een functie van frequentie voor de microbrugstructuur gekoppeld aan een spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes wanneer n = 1.6 en i =2, respectievelijk. Uit figuur 7 blijkt dat duidelijke resonanties optreden rond 2,52 THz, die het verlies van THz-straling en de twee absorptiepieken veroorzaken, zoals weergegeven in figuur 5b.

Verdeling van de energiedichtheid van het elektrische veld, de energiedichtheid van het magnetische veld en het vermogensverlies. Energiedichtheidsdiagrammen van elektrisch veld (a ) en magnetisch veld (b ) voor spiraalvormige antenne op de steunlaag wanneer n = 1.6; energiedichtheidsdiagrammen van elektrisch veld (c ) en magnetisch veld (d ) voor spiraalvormige antenne met een enkele afzonderlijke lineaire antenne wanneer n = 1.6 en i = − 2; energiedichtheidsdiagrammen van elektrisch veld (e ) en magnetisch veld (f ) voor spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes wanneer n = 1.6 en i = − 2; vermogensverliesverdeling in de microbrugstructuur gekoppeld aan een spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes wanneer n = 1.6 en i = − 2 van bovenaanzicht (g ) en zijaanzicht (h )

Reële en denkbeeldige delen van effectieve permeabiliteit (a ) en permittiviteit (b ) als een functie van frequentie voor microbrugstructuur gekoppeld aan spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes wanneer n = 1.6 en i = − 2

Spiraalvormige antenne met twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten

Een ander soort spiraalvormige antenne, getoond in figuur 1e, werd voorgesteld met twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten. Afbeelding 8 toont THz-golfabsorptiecurven van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren wanneer n = 1.6, g (spatiëring) = 1.4 μm voor verschillende lijnbreedtes (f ). Twee schijnbare absorptiepieken worden waargenomen in Fig. 8. De piekabsorptiepositie beweegt langzaam naar een lagere frequentie met de toename van de antennelijnbreedte, terwijl de piekabsorptiesnelheid weinig verandert. Een absorptie van ongeveer 70% wordt verkregen bij 2,52 THz wanneer f = 1 μm, en de absorptiesnelheid van elke curve bij 2,52 THz wanneer f = 0,8~ 1,1 μm is meer dan 50%. Dit geeft aan dat het breedteverschil van de antennelijn dat kan worden veroorzaakt door het fabricageproces weinig invloed heeft op de THz-absorptie, wat bevorderlijk is voor het ontwerp van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren en de moeilijkheid van fabricage en realisatie vermindert van de ontworpen structuren voor grotere redundantie is toegestaan.

THz-golfabsorptiecurven van spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren met twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten voor verschillende lijnbreedtes (f )

Figuur 9 toont de energiedichtheidsdiagrammen van elektrisch veld en magnetisch veld voor spiraalvormige antennes met twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten wanneer de lijnbreedte 1 μm is. Het absorptiegebied van elektrische veldenergie, weergegeven in figuur 9a, komt voornamelijk voor in het gevoelige gebied en het verbindingsgebied tussen de brugpoten en het gevoelige gebied. De absorptie van magnetische veldenergie, weergegeven in figuur 9b, wordt voornamelijk toegeschreven aan de bijdrage van de antenne op de steunlaag. De meeste absorptie vindt plaats op de steunlaag en kan worden omgezet in temperatuurstijging van de VO_x dunne film.

Energiedichtheidsdiagrammen van elektrisch veld (a ) en magnetisch veld (b ) voor spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuren met twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten en een lijnbreedte van 1 μm

Het ontwerp van een spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes of twee verbonden lineaire antennes op de brugpoten, getoond in Fig. 1d, e, is een goede oplossing voor een hoge absorptiesnelheid bij een lage absorptiefrequentie van 2,52 THz wanneer de rotatiehoek is ingesteld op 360*n (n = 1.6). De spiraalvormige antenne met twee afzonderlijke lineaire antennes zorgt voor een brede absorptiepiek in de buurt van 2,52 THz, terwijl de spiraalvormige antenne met twee aangesloten lineaire antennes een relatief stabiele absorptiepiek heeft bij verandering van de antennelijnbreedte. Een ander voordeel van een spiraalvormige antenne met twee verbonden lineaire antennes is dat de antenne kan dienen als elektrodeleiding voor hoge integratie en procesvereenvoudiging, aangezien de antenne- en elektrodeleidinglaag kan worden vervaardigd door een fotolithografie- en patroonproces in een enkele stap. Dit zorgt voor een sterk geïntegreerde spiraalvormige antennegekoppelde microbrugstructuur met een hoge absorptie bij 2,52 THz en een zeer compatibele, procesvereenvoudigde manier om de structuur te realiseren.

Voor THz-detectoren met antennegekoppelde microbrugstructuur is de thermische responstijd (τ ) hangt af van zijn effectieve thermische geleidbaarheid (G _eff ) en totale warmtecapaciteit (C _tot ) via τ = C _tot /G _eff . G _eff wordt gedefinieerd via G _eff = G _been − αV _bias Ik ₀ , waar α is de temperatuurcoëfficiënt van stroom en V _bias en ik ₀ zijn respectievelijk de voorspanning en stroom van de detector [31]. G _been = 2σ _de A /l is de thermische geleidbaarheid van de brugpoten, waarbij σ _de is de thermische geleidbaarheid van het been en A en l zijn respectievelijk het dwarsdoorsnede-oppervlak en de lengte van de brugpoten. Het wordt vermenigvuldigd met 2 want er zijn twee poten. Voor een definitieve microbrugstructuur is de warmtegeleiding van de brugpoten vast; G _eff zou ook worden vastgesteld [32]. τ wordt bepaald door C _tot , wat de totale warmtecapaciteit is van de antenne en de microbrugstructuur inclusief de belasting zodanig dat C _tot = C _mier + C _brug . De warmtecapaciteit van de antenne wordt gedefinieerd via C _mier = c _mier ρ _mier V _mier , waar c _mier is de soortelijke warmte van de antenne, ρ _mier is de massadichtheid van de antenne, en V _mier is het antennevolume. C _brug wordt op dezelfde manier gedefinieerd als C _mier . Geconcludeerd kan worden dat C _tot wordt voornamelijk beperkt door het antennevolume (V _mier ) voor een bepaald antennemateriaal op een vaste microbrugstructuur. Daarom verwachten we het antennevolume te verminderen door lineaire antennes te gebruiken in plaats van vlakke antennes om een ​​lagere thermische responstijd te bereiken. Voor de antennegekoppelde microbrugstructuur die in dit artikel is ontworpen met een enkele metalen laag die zowel als antenne- als elektrodeloodlaag fungeert, wordt de totale warmtecapaciteit verder verminderd voor C _tot ≈ C _brug . Ervan uitgaande dat het centrale gevoelige gebied van een microbrugstructuur bestaat uit Si₃ N₄ film met een grootte van ongeveer 20 μm  ×  20 m en een dikte van 0,4 m, en de antennelaag is gemaakt van Al dunne film met een dikte van 0,05 m en beslaat 1/3 van het gevoelige gebied, de warmtecapaciteit van Si₃ N₄ film en de Al-antenne kunnen worden berekend omdat de soortelijke warmtecapaciteit en massadichtheid van PECVD Si₃ N₄ film zijn 0,17 J/(g*K) en 2500 Kg/m ³ , terwijl die van Al dunne film 0,91 J/(g*K) en 2700 Kg/m ³ zijn , respectievelijk. The results suggest that for the antenna-coupled micro-bridge structure with a single antenna and electrode lead layer, the total heat capacity can be reduced to 83.7% of the traditional micro-bridge structure with two metal layers acting as the antenna and electrode lead layer separately, and the thermal response time can be reduced by 16.3% under the same thermal conductivity of the micro-bridge structure. This provides the potentiality of applications in high-performance THz micro-bolometer detectors with fast response.