Breedband THz Absorptie van Microbolometer Array Geïntegreerd met Split-Ring Resonators

Resultaten en discussie

THz microbolometerarray is samengesteld uit vele microbrugstructuurpixels in tweedimensionale herhaalde opstelling op het brandvlak. Elke pixel meet onafhankelijk de THz-straling. De microbrugstructuur wordt getoond in figuur 1a, die bestaat uit een gevoelige meerlagige film en twee benen die de film ondersteunen. De meerlagige film bevat een ondersteuningslaag van 250 nm (siliciumnitride, Si₃ N₄ ), een thermisch gevoelige film van 60 nm (vanadiumoxide, VO_x ), een 150 nm passiveringslaag (Si₃ N₄ ) en een THz-golfabsorptielaag (Al) van onder naar boven. De poten worden gebruikt voor mechanische ondersteuning, elektrische en thermische kanalen. VO_x film is via de benen verbonden met de elektroden van het uitleescircuit (ROIC) geïntegreerd in het silicium (Si) substraat. THz-golf geabsorbeerd door de absorptielaag veroorzaakt een temperatuurverandering van de meerlagige film en een weerstandsverandering van VO_x film die wordt gedetecteerd door ROIC. Een 2 μm hoge holte voor thermische isolatie wordt gevormd tussen de reflecterende laag (Al) met een dikte van 400 nm op Si-substraat en de gevoelige meerlaagse film. In dit papier is een splitring met vier openingen, zoals weergegeven in figuur 1b, geïntegreerd in de microbrugstructuur als de THz-absorptielaag. Om de THz-absorptiebandbreedte te vergroten, een dubbele ringstructuur zoals weergegeven in figuur 1c, een splitring gecombineerd met een Al-schijf zoals weergegeven in figuur 1d en een dubbele ringstructuur gecombineerd met een Al-schijf zoals weergegeven in figuur 1e worden ook bestudeerd.

Ontwerp van microbrugstructuur in combinatie met splitringresonatoren. een Doorsnede van microbrugstructuur. b Splitring met vier openingen. c Dual-ring structuur. d Een splitring gecombineerd met een Al schijf. e Dual-ring structuur gecombineerd met een Al schijf. v Een enkele eenheidscel van THz microbolometerarray verlicht door verticaal invallend licht

Afbeelding 2a toont THz-golfabsorptie van periodieke splitringstructuren met verschillende openingsbreedtes (s ). De splitringen hebben een buitenstraal van 15 m, een binnenstraal van 10 m en een dikte van 10 nm. Wanneer de openingsbreedte van splitringen 1 m, 2 m, 4 μm en 6 m is, is de resonantieabsorptiefrequentie respectievelijk 5 THz, 5,7 THz, 6,2 THz en 7,1 THz. De piekabsorptie van elke structuur is ongeveer 100%. Met de toename van de openingsbreedte neemt de resonantieabsorptiefrequentie toe. De openingen van de splitring kunnen worden beschouwd als equivalente capaciteit (C ) terwijl het metalen ringgedeelte van de splitring kan worden beschouwd als equivalente inductantie (L ) en de resonantiefrequentie (\(\omega\)) kan worden uitgedrukt als \(\omega =\frac{1}{\sqrt{LC}}\). De toename van de openingsbreedte resulteert in de reductie van de equivalente capaciteit en de toename van de resonantiefrequentie. Daarom kan een hoge resonantieabsorptie bij een lagere frequentie worden bereikt met een kleinere openingsbreedte van de splitring. Figuur 2b toont THz-golfabsorptie van periodieke splitringstructuren met verschillende ringbreedtes (d ). De splitringen hebben een buitenstraal van 15 m, een openingsbreedte van 2 μm en een dikte van 10 nm. Het is te zien dat met de afname van de ringbreedte de resonantieabsorptiefrequentie en de piekabsorptie afnemen. De piekabsorptie bereikt 100% bij 5,7 THz en 97% bij 5,3 THz met een ringbreedte van respectievelijk 5 m en 3 m. Wanneer de ringbreedte 1 m is, is de resonantieabsorptiefrequentie 5 THz en neemt de piekabsorptie af tot 60%. De afname van de resonantieabsorptiefrequentie wordt toegeschreven aan de toename van de equivalente inductantie naarmate de ringbreedte afneemt.

een THz-golfabsorptie van periodieke splitringstructuren met verschillende openingsbreedtes (s ). De splitringen hebben een buitenstraal van 15 m, een binnenstraal van 10 m en een dikte van 10 nm. b THz-golfabsorptie van periodieke gespleten ringstructuren met verschillende ringbreedtes (d ). De splitringen hebben een buitenstraal van 15 μm, een openingsbreedte van 2 μm en een dikte van 10 nm

De periodieke split-ringstructuur kan zorgen voor een hoge THz-golfabsorptie bij de resonantiefrequentie. De absorptiepiek is echter smal. Om de absorptiebandbreedte te vergroten, worden periodieke structuren van verschillende combinaties van split-ring en Al-schijf geïntegreerd in microbrugstructuurarrays. Figuur 3a toont THz-golfabsorptie van periodieke dual-ringstructuren met verschillende buitenradius van de binnenste splitring (r _ik ). De dubbele ringstructuur heeft een openingsbreedte van 2 m en een dikte van 10 nm. De buitenstraal van de buitenste splitring is 17 m en de breedte van beide splitringen is 2 m. De dual-ring structuren hebben twee absorptiepieken. Naarmate de buitenste straal van de binnenste splitring toeneemt van 11 tot 13 μm, blijft de ene resonantie-absorptiefrequentie ongewijzigd op 3,3 THz, terwijl de andere resonantie-absorptiefrequentie afneemt van 5,1 tot 4,3 THz. De absorptiepieken bij lagere frequentie en hogere frequentie worden respectievelijk bijgedragen door de buitenste splitring en de binnenste splitring. Naarmate de twee splitringen dichterbij komen, worden de twee absorptiepieken aan elkaar gekoppeld en vormen ze een bredere absorptieband. Deze structuur vertoont echter een relatief lage absorptie van 25-55% in de absorptieband van 3,2-5,2 THz.

een THz-golfabsorptie van periodieke dual-ringstructuren met verschillende buitenstralen van de binnenste splitring (r _ik ). De dual-ring structuren hebben een openingsbreedte van 2 m en een dikte van 10 nm. De buitenstraal van de buitenste splitring is 17 m en de breedte van beide splitringen is 2 m. b THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van een split-ring en een Al-schijf met verschillende stralen van de schijf (r _d ). De periodieke structuren hebben een dikte van 10 nm. De splitring heeft een buitenstraal van 17 m, een ringbreedte van 2 m en een openingsbreedte van 2 μm. c THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee splitringen en een Al-schijf met verschillende stralen van de schijf (r _d ). De periodieke structuren hebben een dikte van 10 nm. De twee splitringen hebben een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 μm en een buitenstraal van respectievelijk 17 μm en 14 μm

THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van een split-ring en een Al-schijf met verschillende stralen van de schijf (r _d ) wordt getoond in Fig. 3b. De periodieke structuren hebben een dikte van 10 nm. De splitring heeft een buitenstraal van 17 m, een ringbreedte van 2 m en een openingsbreedte van 2 μm. De periodieke structuren hebben twee absorptiepieken. Een van de absorptiepieken bevindt zich in de buurt van 4,3 THz, wat niet verandert met de straal van de Al-schijf. Met de toename van de straal van de schijf van 6 tot 12 μm, beweegt de andere absorptiepiek bij hogere frequentie in de richting van de lagere frequentie en is de verandering van piekabsorptie niet significant. De absorptiepiek bij 4,3 THz wordt bijgedragen door de splitring, terwijl de absorptiepiek bij hogere frequentie die beweegt met de verandering van de schijfstructuur wordt bijgedragen door de Al-schijf. Wanneer de straal van de schijf 12 m is, wordt een breedbandabsorptie verkregen met een breedte van ongeveer 2 THz. Figuur 3c toont THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee splitringen en een Al-schijf met verschillende stralen van de schijf (r _d ). De periodieke structuren hebben een dikte van 10 nm. De twee splitringen hebben een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 m en een buitenstraal van respectievelijk 17 m en 14 μm. De resonantie-absorptiefrequentie ligt rond de 4,2 THz voor de buitenste splitring en tussen 5,5 en 6 THz voor de binnenste splitring. Wanneer de straal van de Al-schijf 7 m is, ligt de resonantie-absorptiepiek bij 8,2 THz. Wanneer de straal van de schijf 9 m is, beweegt de absorptiepiek naar 6,5 THz en koppelt deze met de absorptiepiek van de binnenste splitring. De periodieke structuur van een combinatie van twee split-ringen en een Al-schijf zorgt voor een breedbandabsorptie in 4-7 THz. De hoogste absorptie in de band bereikt 90% en de laagste absorptie is hoger dan 40%.

Figuur 4 toont de verdeling van de energiedichtheid van het elektrische veld, de energiedichtheid van het magnetische veld en het vermogensverlies in de periodieke dubbele ringstructuur gecombineerd met een Al-schijf bij verschillende resonantie-absorptiefrequenties. De periodieke structuur heeft een dikte van 10 nm. De twee splitringen hebben een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 m en een buitenstraal van respectievelijk 17 m en 14 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 m. Zoals weergegeven in figuur 3c, heeft deze periodieke structuur vier absorptiepieken bij de frequenties van 4,28 THz, 5,74 THz, 6,5 THz en 8,5 THz. De verdeling van de energiedichtheid van het elektrische veld, de energiedichtheid van het magnetische veld en het vermogensverlies bij de vier resonantie-absorptiefrequenties toont de belangrijkste absorptiegebieden van de THz-golf in de structuur. Het is te zien dat de buitenste splitring, de binnenste splitring en de schijf voornamelijk bijdragen aan de resonantieabsorptie bij respectievelijk 4,28 THz, 5,74 THz en 6,5 THz. Dit ondersteunt de eerdere analyse van de absorptiepieken. De lage absorptiepiek bij 8,5 THz wordt toegeschreven aan de koppeling van periodieke structuren. Figuur 4d toont de doorsnede van de verdeling van de elektrische velddichtheid in de periodieke dual-ringstructuur gecombineerd met een Al-schijf met resonantieabsorptiefrequenties van 5,74 THz en 6,5 THz. Een sterk elektrisch veld kan worden waargenomen bij de metaallaag en de diëlektrische laag. De absorptie wordt voornamelijk toegeschreven aan het ohmse verlies aan de metaallaag en het diëlektrische verlies aan de diëlektrische laag. De meeste absorptie vindt plaats op de steunlaag en kan worden omgezet in temperatuurstijging van de VO_x dunne film.

Bovenaanzicht van verdeling van elektrische velddichtheid (a ), distributie van magnetische velddichtheid (b ), stroomuitval (c ) en doorsnede van de verdeling van de elektrische velddichtheid (d ) in de periodieke structuur van twee splitringen gecombineerd met een Al-schijf met verschillende resonantieabsorptiefrequenties. De periodieke structuur heeft een dikte van 10 nm. De twee splitringen hebben een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 m en een buitenstraal van respectievelijk 17 m en 14 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 μm

THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee splitringen en een Al-schijf met verschillende diktes (t ) wordt getoond in Fig. 5. In de periodieke structuren in Fig. 5a hebben de twee splitringen een ringbreedte van 1 m, een openingsbreedte van 2 μm en een buitenstraal van respectievelijk 17 μm en 15 μm. De Al-schijf heeft een straal van 13 m. De afstand tussen aangrenzende structuren is 1 m. De absorptiepieken van verschillende structuren zijn aan elkaar gekoppeld en vormen een brede absorptieband. Naarmate de dikte van de absorptielaag toeneemt, wordt de absorptiebandbreedte smaller. Wanneer de dikte echter groter is dan 30 nm, verandert de absorptiekarakteristiek van de periodieke structuur niet significant, wat een relatief stabiele absorptie laat zien. In de periodieke constructies in figuur 5b hebben de twee splitringen een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 m en een buitenstraal van respectievelijk 17 m en 13 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 m. De afstand tussen aangrenzende structuren is 2 m. Wanneer de dikte van de absorptielaag 10 nm is, zorgt deze periodieke structuur voor een breedbandabsorptie in 4-7 THz met een THz-golfabsorptie van 40-90% in de band. Naarmate de dikte toeneemt, wordt de absorptieband geleidelijk twee onafhankelijke absorptiepieken. Hoewel de piekabsorptie erg hoog is, is het moeilijk om een ​​brede absorptieband van THz-golven te vormen.

THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee splitringen en een Al-schijf met verschillende diktes (t ). een Twee splitringen hebben een ringbreedte van 1 m, een openingsbreedte van 2 m en een buitenstraal van respectievelijk 17 m en 15 μm. De Al-schijf heeft een straal van 13 m. b Twee splitringen hebben een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 m en een buitenstraal van respectievelijk 17 m en 13 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 μm

Om de absorptie-eigenschappen onder belichting van schuine inval te onderzoeken, THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee splitringen en een Al-schijf met verschillende invalshoeken van 0° (normale inval), 10°, 20°, 40 °, 60° en 80° zijn gesimuleerd en weergegeven in Fig. 6. In de periodieke constructies hebben de twee splitringen een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 μm en een buitenstraal van 17 m en 13 μm , respectievelijk. De Al-schijf heeft een straal van 9 m en een dikte van 10 nm. De afstand tussen aangrenzende structuren is 2 m. Naarmate de invalshoek groter wordt, bewegen de twee piekabsorptiefrequenties iets naar de lagere frequentierichting. Wanneer de invalshoek kleiner is dan 30°, is de verandering van de piekabsorptiesnelheid niet significant. De absorptiesterkte zal echter aanzienlijk afnemen wanneer de invalshoek groter is dan 40°.

THz-golfabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee splitringen en een Al-schijf met verschillende invalshoeken. De twee splitringen hebben een ringbreedte van 2 m, een openingsbreedte van 2 m en een buitenstraal van respectievelijk 17 m en 13 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 μm en een dikte van 10 nm