Meningkatkan Performa Mikro-Bolometer THz dengan Desain Mikro-Jembatan Antena Tipe Spirale

Latar Belakang

Radiasi terahertz (0,1–10 THz) menawarkan fitur spektral unik—lebar pita, penetrasi energi rendah, dan tanda penyerapan yang berbeda—yang membuatnya berharga untuk spektroskopi molekuler, diagnostik medis, dan citra keamanan. Namun, potensi penuh dari pita ini belum tereksploitasi karena sumber dan detektor THz yang terbatas. Kemajuan dalam elektronik ultra-cepat, ilmu laser, dan pemrosesan semikonduktor telah menghasilkan laser kaskad kuantum (QCL) dan laser CO₂ inframerah jauh yang mampu menghasilkan sinar THz yang dapat disesuaikan atau daya tinggi.

Deteksi THz biasanya bergantung pada perangkat berbasis foton, seperti pertungan SIS dan fotokonduktor brondon kuantum, yang mencapai sensitivitas tinggi dan respons cepat tetapi membutuhkan pendinginan kriogenik dan menunjukkan selektivitas spektral yang sempit. Detektor fototermal—termasuk elemen piroelektrik dan mikro-bolometer—beroperasi pada suhu ruang dan memiliki respons spektral lebar, menjadikannya menarik untuk array bidang fokus (FPA) skala besar. Namun, mikro-bolometer konvensional menderita penyerapan THz yang rendah karena arsitektur mikro-jembatan standar dioptimalkan untuk panjang gelombang inframerah pertengahan.

Peningkatan penyerapan THz pada mikro-bolometer telah dilakukan melalui film logam pencocokan impedansi, penyerap metamaterial, dan penguatan antena. Mikro-bolometer yang dipasang antena menggabungkan penyerapan tinggi dari antena yang dirancang dengan sensitivitas termal mikro-jembatan, menghasilkan performa unggul. Karya sebelumnya telah menunjukkan bolometer VOx yang dipasang antena pada 94 GHz dan bolometer FET semikonduktor logam oksida pada rentang 0,5–1,5 THz, serta citra real-time 2,5 THz dengan penerangan QCL.

Sementara antena datar mudah difabrikasi, antena tipe kawat dengan volume massa yang dipercepatkan mengurangi konstanta waktu termal. Membangun pada karya kami sebelumnya dengan piksel 35 µm × 35 µm, kami sekarang menyajikan mikro-jembatan 25 µm × 25 µm dengan tiga varian antena tipe spirale yang meningkatkan penyerapan THz dan memungkinkan modulasi frekuensi sekitar 2,52 THz.

Hasil dan Pembahasan

Piksel mikro-jembatan, seperti diilustrasikan dalam Gambar 1a, memiliki area sensitif 20 µm × 20 µm yang didukung oleh dua kaki panjang. Area sensitif terdiri dari pendukung Si₃N₄ 0,4 µm, lapisan termal VOx 70 nm, dan antena spirale Al 0,05 µm. Pemantul NiCr 0,2 µm di bawah area aktif membentuk rongga resonan 2 µm tinggi yang mengoptimalkan penyerapan inframerah sambil mengisolasi pemanasan THz. Antena spirale terbatas dalam diameter 18 µm pada pendukung Si₃N₄. Gambar 1c–e menunjukkan tiga konfigurasi antena yang diusulkan dengan elemen linear pada kaki jembatan.

Desain struktur mikro-jembatan yang dipasang antena tipe spirale. a Model struktur mikro-jembatan. b Antena spirale pada lapisan pendukung. c Antena spirale dengan satu antena linear pada satu kaki. d Antena spirale dengan dua antena linear terpisah pada kaki. e Antena spirale dengan dua antena linear terhubung pada kaki. f Arah medan listrik dan magnet untuk insiden vertikal.

Antena Tipe Spirale pada Lapisan Pendukung

Kami pertama kali mengoptimalkan antena spirale standar pada lapisan pendukung, dengan memvariasi sudut rotasi (360° × n, 0,5 ≤ n ≤ 2,0), lebar garis (w), dan jarak (g). Gambar 2a menunjukkan bahwa peningkatan n dari 0,5 menjadi 0,9 menggeser puncak penyerapan utama ke bawah dan mengurangi penyerapan puncak dari 90 % menjadi 65 %. Pada n = 1,6, puncak selaras dengan 2,52 THz, meskipun dengan hanya 30 % penyerapan. Penyesuaian lebih lanjut w dan g (Gambar 3) menunjukkan bahwa jejak antena yang lebih besar menurunkan frekuensi resonansi tetapi memberikan peningkatan modest dalam efisiensi penyerapan. Area aktif yang lebih kecil dari piksel 25 µm × 25 µm membatasi penyerapan maksimum yang dapat dicapai dibandingkan desain 35 µm × 35 µm kami sebelumnya.

Antena Tipe Spirale dengan Satu Antena Linear Terpisah pada Satu Kaki

Penyisipan satu antena linear pada satu kaki jembatan memperluas area antena yang efektif dan memperkenalkan resonansi frekuensi rendah tambahan. Untuk n = 1,6 dan lebar garis 1 µm, menempatkan port antena dalam 2 µm dari area sensitif menggabungkan dua resonansi menjadi puncak lebar yang berpusat pada 2,52 THz, mencapai lebih dari 40 % penyerapan pada lebar pita 0,4 THz (Gambar 4b). Resonansi tambahan didorong oleh kopling medan listrik pada antarmuka antena-kaki, seperti yang dikonfirmasi oleh peta densitas energi (Gambar 6c–d).

Antena Tipe Spirale dengan Dua Antena Linear Terpisah pada Kedua Kaki

Menggandakan antena linear memperluas area penyerapan lebih lanjut. Pada n = 1,1, struktur gabungan mencapai tingkat penyerapan di atas 90 % pada frekuensi lebih rendah (Gambar 5a). Dengan n = 1,6, dua resonansi tumpang tindih untuk membentuk pita penyerapan yang lebih lebar dan rata di sekitar 2,52 THz (Gambar 5b). Analisis densitas energi (Gambar 6e–f) menunjukkan bahwa penyerapan medan listrik sekarang terjadi terutama di sepanjang kedua kaki, sementara penyerapan medan magnet tetap terkonsentrasi di spirale tengah. Distribusi kekerugian daya yang dihasilkan (Gambar 6g–h) terbatas pada area sensitif, memastikan konversi efisien energi THz menjadi kenaikan suhu pada lapisan VOx.

Antena Tipe Spirale dengan Dua Antena Linear Terhubung pada Kedua Kaki

Menghubungkan antena linear pada kaki menghasilkan antena yang lebih kompak dengan satu lapisan logam yang berfungsi sebagai antena dan kawat konduktor. Gambar 8 menunjukkan bahwa variasi lebar garis dari 0,8 µm hingga 1,1 µm menghasilkan tingkat penyerapan di atas 70 % pada 2,52 THz, yang menunjukkan toleransi fabrikasi. Peta densitas energi (Gambar 9) mengungkapkan bahwa spirale tengah mendominasi penyerapan medan magnet sementara bagian linear berkontribusi terutama pada kopling medan listrik, sekali lagi melokalisasi kerugian ke area aktif. Konfigurasi ini menawarkan desain terpadu yang efisien dan terintegrasi tinggi dengan dampak minimal pada respons termal.

Pertimbangan Respons Termal

Konstanta waktu termal τ = C_tot / G_eff ditentukan oleh kapasitas panas total C_tot dan konduktansi termal efektif G_eff. Untuk geometri jembatan tetap, C_tot didominasi oleh volume antena. Dengan mengganti antena datar dengan elemen linear ramping, kami mengurangi C_tot dan mencapai τ yang 16,3 % lebih pendek dibandingkan desain dual-lapisan logam konvensional. Peningkatan ini secara langsung menerjemahkan menjadi waktu respons detektor yang lebih cepat, yang penting untuk citra THz real-time.

Kesimpulan

Kami telah secara sistematis merancang, mensimulasikan, dan mengoptimalkan empat konfigurasi antena tipe spirale untuk piksel mikro-bolometer 25 µm × 25 µm yang beroperasi pada 2,52 THz. Memperkenalkan antena linear pada kaki jembatan memperluas area antena yang efektif, menurunkan frekuensi resonansi, dan meningkatkan penyerapan. Tata letak antena linear dual memberikan pita penyerapan lebar dan efisien, sementara desain antena terhubung memberikan puncak penyerapan yang stabil dan tinggi dengan fabrikasi dan integrasi yang disederhanakan. Arsitektur ini menjanjikan FPA THz suhu ruang dengan respons cepat dan sensitivitas tinggi, memajukan praktikalitas sistem citra dan sensori THz.

Metode

Simulasi elemen hingga dilakukan dalam CST Microwave Studio 2016 menggunakan sel unit 25 µm × 25 µm dengan kondisi batas periodik sepanjang x dan y. Struktur mikro-jembatan diilumini dari atas (port 1) dan ditransmisikan melalui bawah (port 2). Parameter S kompleks diekstraksi, dan penyerapan dihitung sebagai A = 1 − |S₂₁|² − |S₁₁|². Bahan dimodelkan dengan konduktivitas realistis: σ_Al = 3,56 × 10⁷ S/m, σ_NiCr = 1 × 10⁷ S/m, dan Si₃N₄ dengan model dispersi orde kedua (ε ≈ 2,0, μ = 1). Rongga vakum 2 µm direpresentasikan oleh ε = 1.