Verbeterde Breedband THz-Absorptie in Microbolometer-Arrays via Geïntegreerde Split-Ring Resonatoren

Samenvatting

In dit artikel wordt een periodieke structuur gebaseerd op metallische split-ring resonatoren geïntegreerd in microbrugstructuren van THz-microbolometer-arrays om hoge THz-golflengteabsorptie in een wijd frequentiebereik te bereiken. Met een kleine eenheidsgrootte van 35 μm × 35 μm wordt het effect van de split-ringstructuur op de THz-absorptie-eigenschappen van de meervoudigelaagstructuur bestudeerd om de resonantie-absorptiefrequenties te sturen. De absorptiebandbreedte wordt effectief vergroot door een gecombineerde structuur van split-ring en metallische schijf te integreren. Breedband THz-absorptie ontstaat door koppeling van de absorptiepieken van verschillende structuren. De periodieke structuur van een dubbele ring gecombineerd met een metallische schijf levert een breedband THz-golflengteabsorptie in het bereik van 4–7 THz. De hoogste absorptie in het band bereikt 90% en de laagste absorptie is hoger dan 40%. De ontworpen structuur is procescompatibel en gemakkelijk te implementeren voor kleine-pixel THz-microbolometers met hoge absorptie in een wijd spectrumbereik. Het onderzoek biedt een schema voor breedband THz-detectie en real-time imaging bij kamertemperatuur.

Inleiding

Terahertz (THz) golven met een golflengte van 30 μm tot 3 mm vormen een zeer belangrijk maar nauwelijks verkend deel van het elektromagnetisch spectrum. Toepassingen van THz-technologie omvatten beveiligingsscreening, geneeskunde, communicatie en astronomie. THz-technologie heeft in de laatste jaren enorme vooruitgang geboekt door de ontwikkeling van bronnen en apparaten voor de generatie en detectie van THz-golven. THz-detectoren zijn hoofdzakelijk gebaseerd op het foto-elektrische effect en het thermische effect. Fotondetectoren zoals supergeleidende bolometers kunnen gebruikt worden voor hoge gevoeligheid en hoge snelheid detectie; echter, ze moeten gekoeld worden tot extreme lage temperaturen. Thermische bolometerdetectoren die THz-golven absorberen en een temperatuursverandering van de thermisch gevoelige film veroorzaken, kunnen bij kamertemperatuur werken en hebben grote voordelen in grootschalige array-integratie, eenvoudige configuratie en lage kosten.

Een THz-microbolometer-array bestaat uit pixels met microbrugstructuur, ontwikkeld uit volwassen infrarood (IR) microbolometer-technologie met hetzelfde thermische conversiemechanisme uitgerust met een THz-bron. Een kritiek nadeel van de conventionele microbrugstructuur is de slechte absorptie van THz-golven, wat leidt tot lage gevoeligheid. Er zijn verbeteringen aangebracht aan de microbrugstructuur voor verbeterde THz-absorptie, waaronder de integratie van een impedantie-aanpassende metallische dunne film en een antenna afgestemd op de doelfrequentie. Echter, metallische dunne films vertonen beperkte absorptie (≤ 50%), terwijl antenna-gekoppelde microbrugstructuren over het algemeen een smalle absorptiepiep van THz-golven hebben. Om hoge THz-absorptie in een wijd spectrumbereik te bereiken, kan een dunne diëlectrische laag en een dunne metallische laag bovenop de conventionele drie-laag absorber worden toegevoegd. De fase-gekoppelde methode en sterke koppelingsrespons kunnen ook de absorptiebandbreedte verbeteren of multiband-absorptie realiseren. Echter, de meeste structuren kunnen niet geïntegreerd worden in de kleine pixels met microbrugstructuren van THz-microbolometer-arrays zonder inboet op de thermische en mechanische eigenschappen.

Split-ring resonatoren zijn een breed bestudeerde structuur om elektromagnetische golven te manipuleren door oppervlakteplasmonen op tewekken die vastzitten in de periodieke structuur. In dit artikel, met het doel de absorptie van THz-microbolometer-arrays te verbeteren, worden metallische split-ringen met vier openingen geïntegreerd in de microbrugstructuur met een kleine afmeting van 35 μm × 35 μm. Om de absorptiebandbreedte te vergroten, worden periodieke structuren van split-ring resonatoren gecombineerd met een andere split-ring en een metallische schijf bestudeerd. Breedband THz-absorptie wordt bereikt door koppeling van de absorptiepieken van verschillende structuren. De dubbele-ringstructuur gecombineerd met een aluminium (Al) schijf levert een breedband THz-golflengteabsorptie in het bereik van 4–7 THz met de hoogste absorptie van 90% en de laagste absorptie hoger dan 40%. Fase-gekoppelde methode en sterke koppelingsrespons kunnen ook de bandbreedte verbeteren of multiband-absorptie realiseren.

Resultaten en Discussie

Een THz-microbolometer-array bestaat uit veel microbrugstructuur-pixels in een twee-dimensionale herhaalde opstelling op het focale vlak. Elke pixel meet THz-straling onafhankelijk. De microbrugstructuur wordt weergegeven in Fig. 1a, die bestaat uit een gevoelige meervoudigelaagde film en twee benen die de film ondersteunen. De meervoudigelaagde film omvat van onder naar boven een 250-nm ondersteuningslaag (siliconnitride, Si₃N₄), een 60-nm thermisch gevoelige film (vanadiumoxide, VOₓ), een 150-nm passivatielaag (Si₃N₄) en een THz-golflengteabsorptielaag (Al). De benen dienen voor mechanische ondersteuning, elektrische en thermische kanalen. De VOₓ-film is via de benen verbonden met de elektroden van de uitleescircuit (ROIC) geïntegreerd in het silicium (Si) substraat. THz-golven geabsorbeerd door de absorptielaag veroorzaken een temperatuursverandering van de meervoudigelaagde film en een weerstandsverandering van de VOₓ-film die gedetecteerd wordt door de ROIC. Een 2-μm hoge caviteit voor thermische isolatie wordt gevormd tussen de reflecterende laag (Al) met een dikte van 400 nm op het Si-substraat en de gevoelige meervoudigelaagde film. In dit artikel wordt een split-ring met vier openingen, zoals weergegeven in Fig. 1b, geïntegreerd in de microbrugstructuur als de THz-absorptielaag. Om de THz-absorptiebandbreedte te vergroten, worden ook dubbele-ringstructuur (Fig. 1c), een split-ring gecombineerd met een Al-schijf (Fig. 1d) en dubbele-ringstructuur gecombineerd met een Al-schijf (Fig. 1e) bestudeerd.

Figuur 2a toont de THz-golflengteabsorptie van periodieke split-ringstructuren met verschillende openingbreedtes (s). De split-ringen hebben een buitendiameter van 15 μm, een binnendiameter van 10 μm en een dikte van 10 nm. Wanneer de openingbreedte van de split-ringen 1 μm, 2 μm, 4 μm en 6 μm is, is de resonantie-absorptiefrequentie 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 openingbreedte neemt de resonantie-absorptiefrequentie toe. De openingen van de split-ring kunnen beschouwd worden als equivalente capaciteit (C) terwijl het metallische ringgedeelte van de split-ring kan beschouwd worden als equivalente inductie (L) en de resonantiefrequentie (ω) kan worden uitgedrukt als ω = 1/√(LC). De toename van de openingbreedte resulteert in een reductie van de equivalente capaciteit en een toename van de resonantiefrequentie. Daarom kan hoge resonantie-absorptie bij een lagere frequentie bereikt worden met een kleinere openingbreedte van de split-ring. Figuur 2b toont de THz-golflengteabsorptie van periodieke split-ringstructuren met verschillende ringbreedtes (d). De split-ringen hebben een buitendiameter van 15 μm, een openingbreedte van 2 μm en een dikte van 10 nm. Het is te zien dat met de afname van de ringbreedte, de resonantie-absorptiefrequentie en de piekabsorptie afnemen. De piekabsorptie bereikt 100% bij 5,7 THz en 97% bij 5,3 THz met een ringbreedte van respectievelijk 5 μm en 3 μm. Wanneer de ringbreedte 1 μm is, is de resonantie-absorptiefrequentie 5 THz en daalt de piekabsorptie tot 60%. De afname van de resonantie-absorptiefrequentie wordt toegeschreven aan de toename van de equivalente inductie naarmate de ringbreedte afneemt.

De periodieke split-ringstructuur kan hoge THz-golflengteabsorptie bieden bij de resonantiefrequentie. De absorptiepiep is echter smal. Om de absorptiebandbreedte te vergroten, worden periodieke structuren van verschillende combinaties van split-ring en Al-schijf geïntegreerd in microbrugstructuur-arrays. Figuur 3a toont de THz-golflengteabsorptie van periodieke dubbele-ringstructuren met verschillende buitendiameters van de innerlijke split-ring (rᵢ). De dubbele-ringstructuur heeft een openingbreedte van 2 μm en een dikte van 10 nm. De buitendiameter van de uiterste split-ring is 17 μm en de breedte van beide split-ringen is 2 μm. De dubbele-ringstructuren hebben twee absorptiepieken. Naarmate de buitendiameter van de innerlijke split-ring toeneemt van 11 tot 13 μm, blijft één resonantie-absorptiefrequentie onveranderd op 3,3 THz terwijl de andere resonantie-absorptiefrequentie daalt van 5,1 tot 4,3 THz. De absorptiepieken bij lagere en hogere frequentie worden respectievelijk bijgedragen door de uiterste en innerlijke split-ring. Naarmate de twee split-ringen dichter bij elkaar komen, koppelen de twee absorptiepieken met elkaar en vormen een bredere absorptieband. Deze structuur vertoont echter een relatief lage absorptie van 25–55% in het absorptieband van 3,2–5,2 THz.

THz-golflengteabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van een split-ring en een Al-schijf met verschillende straalen van de schijf (r_d) wordt weergegeven in Fig. 3b. De periodieke structuren hebben een dikte van 10 nm. De split-ring heeft een buitendiameter van 17 μm, een ringbreedte van 2 μm en een openingbreedte van 2 μm. De periodieke structuren hebben twee absorptiepieken. Eén van de absorptiepieken ligt bij ongeveer 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, verplaatst de andere absorptiepiep bij hogere frequentie naar de lagere-frequentierichting en is de verandering van de piekabsorptie niet significant. De absorptiepiep bij 4,3 THz wordt bijgedragen door de split-ring terwijl de absorptiepiep bij hogere frequentie die verplaatst met de verandering van de schijfstructuur wordt bijgedragen door de Al-schijf. Wanneer de straal van de schijf 12 μm is, wordt een breedbandabsorptie verkregen met een breedte van ongeveer 2 THz. Figuur 3c toont de THz-golflengteabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee split-ringen en een Al-schijf met verschillende straalen van de schijf (r_d). De periodieke structuren hebben een dikte van 10 nm. De twee split-ringen hebben een ringbreedte van 2 μm, een openingbreedte van 2 μm en een buitendiameter van respectievelijk 17 μm en 14 μm. De resonantie-absorptiefrequentie ligt rond 4,2 THz voor de uiterste split-ring en tussen 5,5 en 6 THz voor de innerlijke split-ring. Wanneer de straal van de Al-schijf 7 μm is, ligt de resonantie-absorptiepiep op 8,2 THz. Wanneer de straal van de schijf 9 μm is, verplaatst de absorptiepiep naar 6,5 THz en koppelt deze met de absorptiepiep van de innerlijke split-ring. De periodieke structuur van een combinatie van twee split-ringen en een Al-schijf levert een breedbandabsorptie in 4–7 THz. De hoogste absorptie in het band bereikt 90% en de laagste absorptie is hoger dan 40%.

Figuur 4 toont de verdeling van de elektrische veldenergiedichtheid, magnetische veldenergiedichtheid en 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 split-ringen hebben een ringbreedte van 2 μm, een openingbreedte van 2 μm en een buitendiameter van respectievelijk 17 μm en 14 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 μm. Zoals weergegeven in Fig. 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 elektrische veldenergiedichtheid, magnetische veldenergiedichtheid en vermogensverlies bij de vier resonantie-absorptiefrequenties toont de belangrijkste absorptiegebieden van de THz-golf in de structuur. Het is te zien dat de uiterste split-ring, de innerlijke split-ring en de schijf hoofdzakelijk bijdragen aan de resonantie-absorptie bij respectievelijk 4,28 THz, 5,74 THz en 6,5 THz. Dit ondersteunt de eerdere analyse van de absorptiepieken. De lage absorptiepiep bij 8,5 THz wordt toegeschreven aan de koppeling van periodieke structuren. Figuur 4d toont het doorsnedebeeld van de elektrische velddichtheidsverdeling in de periodieke dubbele-ringstructuur gecombineerd met een Al-schijf bij resonantie-absorptiefrequenties van 5,74 THz en 6,5 THz. Sterke elektrische velden kunnen waargenomen worden bij de metallag en diëlectrische laag. De absorptie wordt hoofdzakelijk toegeschreven aan ohmse verlies in de metallag en diëlectrisch verlies in de diëlectrische laag. Het grootste deel van de absorptie vindt plaats op de ondersteuningslaag en kan omgezet worden in een temperatuurstijging van de VOₓ-dunne film.

THz-golflengteabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee split-ringen en een Al-schijf met verschillende diktes (t) wordt weergegeven in Fig. 5. In de periodieke structuren in Fig. 5a hebben de twee split-ringen een ringbreedte van 1 μm, een openingbreedte van 2 μm en een buitendiameter van respectievelijk 17 μm en 15 μm. De Al-schijf heeft een straal van 13 μm. De afstand tussen aangrenzende structuren is 1 μm. De absorptiepieken van verschillende structuren zijn met elkaar gekoppeld en vormen een wijd absorptieband. Naarmate de dikte van de absorptielaag toeneemt, wordt de absorptiebandbreedte smaller. Echter, wanneer de dikte groter is dan 30 nm, verandert de absorptie-eigenschap van de periodieke structuur niet significant, wat een relatief stabiele absorptie toont. In de periodieke structuren in Fig. 5b hebben de twee split-ringen een ringbreedte van 2 μm, een openingbreedte van 2 μm en een buitendiameter van respectievelijk 17 μm en 13 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 μm. De afstand tussen aangrenzende structuren is 2 μm. Wanneer de dikte van de absorptielaag 10 nm is, levert deze periodieke structuur een breedbandabsorptie in 4–7 THz met een THz-golflengteabsorptie van 40–90% in het band. Naarmate de dikte toeneemt, wordt het absorptieband geleidelijk twee onafhankelijke absorptiepieken. Hoewel de piekabsorptie erg hoog is, is het moeilijk een wijd absorptieband van THz-golven te vormen.

Om de absorptie-eigenschap onder schuine inval te onderzoeken, worden THz-golflengteabsorptie van periodieke structuren van een combinatie van twee split-ringen en een Al-schijf met verschillende invalshoeken van 0° (normale inval), 10°, 20°, 40°, 60° en 80° gesimuleerd en weergegeven in Fig. 6. In de periodieke structuren hebben de twee split-ringen een ringbreedte van 2 μm, een openingbreedte van 2 μm en een buitendiameter van respectievelijk 17 μm en 13 μm. De Al-schijf heeft een straal van 9 μm en een dikte van 10 nm. De afstand tussen aangrenzende structuren is 2 μm. Naarmate de invalshoek toeneemt, verplaatsen de twee piekabsorptiefrequenties iets naar de lagere-frequentierichting. Wanneer de invalshoek kleiner is dan 30°, is de verandering van de piekabsorptie niet significant. Echter, de absorptiestrength zal significant afnemen wanneer de invalshoek groter is dan 40°.

Conclusies

Periodieke structuren gebaseerd op Al split-ring resonatoren in microbrugstructuur-arrays met een eenheidsgrootte van 35 μm × 35 μm worden bestudeerd met het doel de THz-golflengteabsorptie te verbeteren en de absorptiebandbreedte van THz-microbolometers te vergroten. De resonantie-absorptiefrequentie van split-ring resonatoren wordt bepaald door de openingbreedte en de breedte van de ring. Periodieke structuren met een combinatie van split-ringen en Al-schijf worden geïntegreerd in microbrugstructuur-arrays. Door koppeling van de absorptiepieken van verschillende structuren, wordt de absorptiebandbreedte effectief vergroot. Hoge THz-golflengteabsorptie in het frequentiebereik van 4–7 THz met absorptie van 40–90% wordt bereikt door de periodieke dubbele-ringstructuur gecombineerd met een schijf. De structuur voldoet aan de eisen van THz-microbolometers voor kleine pixelgrootte, hoge absorptie en wijd spectrumrespons.

Methoden

We hebben eindige-element numerieke simulaties uitgevoerd met CST Microwave Studio 2016. We hebben een enkele kubieke eenheidscel van de THz-microbolometer-array gesimuleerd met een afmeting van 35 μm × 35 μm, zoals weergegeven in Fig. 1f. De golffactor k propageerde door de z-richting met een perfect elektrisch veld in het x–z vlak en een perfect magnetisch veld in het y–z vlak. We stelden de invoer- en uitvoerpoorten in op de boven- en onderzijde van de kubieke eenheidscel, aangegeven als poort "1" en poort "2" respectievelijk. De simulatie produceerde frequentie-afhankelijke complexe S-parameters, waaruit we de reflectantie R = |S₁₁|² bij poort "1" en de transmissie T = |S₂₁|² bij poort "2" met periodieke randvoorwaarden (PBC) langs de x- en y-richting verkreg. De absorptie van de periodieke structuur werd berekend via A = 1 − |S₁₁|² − |S₂₁|². Voor de voorgestelde structuren in Fig. 1b–e werden de Al-absorptielaag en de reflectielaag gemodelleerd met het Drude-model met een plasmafrequentie van ωₚ = 92.700 cm⁻¹ en een verstrooiingsfrequentie van ω_τ = 408 cm⁻¹. De ondersteunings- en passivatielaag met een totaaldikte van 400 nm werd gemodelleerd als optische Si₃N₄-film met een dispersiepermittiviteit van het tweedemodel (fit) in CST en een permeabiliteit van 1. De caviteit werd gemodelleerd met een permittiviteit van 1 en een permeabiliteit van 0 S/m.