Modulasi Frekuensi dan Peningkatan Penyerapan THz Mikro-bolometer dengan Struktur Jembatan Mikro oleh Antena Tipe Spiral

Hasil dan Diskusi

Antena tipe spiral dirancang untuk peningkatan penyerapan dan modulasi FPA mikro-bolometer THz berdasarkan struktur jembatan mikro dengan frekuensi target 2,52 THz. Satu piksel dalam FPA dengan jarak piksel 25 μm, yang ditunjukkan pada Gambar 1a, terdiri dari area sensitif pusat dengan ukuran sekitar 20 μm × 20 μm dan dua kaki panjang yang menopang area sensitif. Area sensitif terdiri dari film multilayer termasuk lapisan pendukung yang terbuat dari 0,4 m silikon nitrida (Si₃ N₄ ) film, lapisan sensitif termal (VO_x film tipis) dengan ketebalan 70 nm, dan antena tipe spiral yang bertindak sebagai lapisan serapan THz yang terbuat dari film tipis aluminium (Al) 0,05 μm. Film tipis nikel–kromium (NiCr) dengan ketebalan 0,2 m ditempatkan di bawah area sensitif sebagai lapisan refleksi untuk membentuk rongga resonansi setinggi 2 m untuk mengoptimalkan penyerapan radiasi IR dan isolasi termal radiasi THz. Struktur antena tipe spiral terletak di Si₃ N₄ lapisan pendukung dan dibatasi dengan diameter luar 18 μm. Ditujukan pada batasan ukuran lapisan pendukung, selain antena tipe spiral tradisional pada lapisan pendukung yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral baru diusulkan. Antena linier diperkenalkan dan diintegrasikan pada kaki jembatan, yang menghasilkan peningkatan area antena tipe spiral asli pada lapisan pendukung. Gambar 1c–e menunjukkan antena tipe spiral dengan satu antena linier terpisah, dua antena linier terpisah, dan dua antena linier terhubung pada kaki jembatan.

Desain struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral. a Model struktur jembatan mikro. b Antena tipe spiral pada lapisan pendukung. c Antena tipe spiral dengan satu antena linier terpisah di salah satu kaki jembatan. d Antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah di kaki jembatan. e Antena tipe spiral dengan dua antena linier terhubung di kaki jembatan. f Arah medan listrik dan medan magnet untuk cahaya insiden vertikal

Antena Tipe Spiral pada Lapisan Dukungan

Struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral tradisional, ditunjukkan pada Gambar 1b, pertama kali dipelajari dengan antena pada lapisan pendukung. Parameter struktural (ditunjukkan pada Gambar 1b) antena tipe spiral telah dioptimalkan, dan pengaruh setiap parameter pada karakteristik penyerapan THz telah didiskusikan.

Untuk antena tipe spiral pada lapisan pendukung dengan lebar jalur antena 1 μm dan sudut rotasi (sudut rotasi mulai dari bagian tengah antena) 360*n (n perubahan 0,5~2.0), variasi posisi puncak absorpsi dan tingkat absorpsi puncak struktur jembatan mikro yang digabungkan antena dengan n ditunjukkan pada Gambar. 2a, b, masing-masing.

Kurva variasi posisi puncak serapan (a ) dan tingkat penyerapan puncak (b ) dan kurva serapan gelombang THz (c ) struktur jembatan mikro dengan sudut rotasi berbeda (360*n ) antena tipe spiral pada lapisan pendukung

Dapat dilihat dari Gambar 2a, b bahwa frekuensi penyerapan puncak dan laju penyerapan puncak menurun ketika n meningkat dari 0,5 menjadi 0,9. Tingkat penyerapan puncak menurun hingga 65% pada 4,1 THz saat n = 0,9 dan kemudian meningkat menjadi 90% pada 3,5 THz saat n = 1. Kapan n = 1~1.5, frekuensi serapan puncak dan laju serapan puncak terus menurun dengan meningkatnya sudut rotasi. Frekuensi penyerapan puncak menurun menjadi 2,64 THz saat n = 1.5; namun, tingkat penyerapan puncak menurun menjadi 22,8%. Penyerapan 30% diperoleh pada 2,53 THz saat n =1.6. Frekuensi penyerapan puncak minimum terjadi pada 2,39 THz saat n = 1,7 dan kemudian frekuensi penyerapan meningkat menjadi 4,45 THz saat n =1.8. Ketika n = 1,8~2, frekuensi serapan puncak menurun lagi sementara laju serapan puncak meningkat dengan meningkatnya sudut rotasi. Gambar 2a menunjukkan bahwa frekuensi penyerapan terus menurun dengan meningkatnya sudut rotasi di beberapa rentang yang berbeda termasuk n = 0,5~1, n = 1.1~1.7, dan n = 1,8~2. Tingkat penyerapan puncak juga terus menurun saat n = 0,5~0,9, n = 1~1,5, dan n = 1.6~1.7. Antena dengan sudut rotasi lebih besar (360*n ) ketika n> 2 tidak dipertimbangkan karena batasan ukuran lapisan pendukung. Kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro ditunjukkan pada Gambar. 2c dengan sudut rotasi yang berbeda (360*n , n = 1.1~1.7) antena tipe spiral pada lapisan pendukung. Setiap kurva absorpsi memiliki beberapa puncak absorpsi di sepanjang sumbu frekuensi, dan puncak absorpsi pada frekuensi terendah digunakan untuk memplot Gambar 2a, b yang bertujuan untuk mengoptimalkan penyerapan gelombang 2,52 THz yang diradiasikan oleh CO inframerah jauh daya tinggi₂ laser gas. Gambar 2 menunjukkan bahwa puncak serapan diperoleh mendekati 2,52 THz saat n = 1.6 dengan tingkat penyerapan rendah 30%.

Gambar 3a, b menunjukkan kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro dengan antena tipe spiral pada lapisan pendukung saat n = 1.6 dengan lebar garis yang berbeda (w ) dan spasi (g ), masing-masing. Terlihat bahwa frekuensi serapan puncak menurun secara signifikan, sedangkan laju serapan puncak meningkat perlahan seiring dengan bertambahnya lebar garis dan spasi. Kesimpulan serupa diperoleh ketika n = 1.1. Peningkatan lebar garis dan jarak menyebabkan peningkatan ukuran antena. Tampaknya peningkatan area antena menguntungkan untuk mengurangi frekuensi penyerapan tetapi tidak banyak berkontribusi pada tingkat penyerapan.

Kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro dengan antena tipe spiral pada lapisan pendukung saat n = 1.6 dengan lebar garis yang berbeda (a ) dan spasi yang berbeda (b )

Penyerapan yang lebih buruk mendekati 2,52 THz diperoleh untuk struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral dengan ukuran piksel 25 μm × 25 μm karena ukuran piksel yang lebih kecil dibandingkan struktur piksel 35 μm × 35 μm yang dilaporkan dalam [29] yang memberikan tingkat penyerapan lebih tinggi sebesar 45% pada 2,77 THz saat n = 1,1 dan 46% pada 2,99 THz saat n =2.1. Seperti yang telah kami simpulkan sebelumnya, meningkatkan area antena adalah cara yang efektif untuk modulasi frekuensi penyerapan, tetapi dibatasi oleh ukuran lapisan pendukung dan menjadi lebih parah untuk piksel 25 μm × 25 μm.

Antena Tipe Spiral dengan Antena Linear Terpisah Tunggal pada Salah Satu Kaki Jembatan

Kaki struktur jembatan mikro memainkan peran dukungan mekanis dan saluran listrik dan termal. Kaki jembatan yang panjang dapat memberikan konduktivitas termal yang rendah dan meningkatkan kinerja isolasi termal dari struktur jembatan mikro. Namun, ini juga mengurangi ukuran efektif area sensitif, membatasi ukuran film atau struktur penyerap. Untuk mencapai tingkat penyerapan yang tinggi pada frekuensi yang lebih rendah, antena linier diperkenalkan pada kaki jembatan untuk meningkatkan area antena. Gambar 1c menunjukkan antena tipe spiral dengan satu antena linier terpisah di salah satu kaki jembatan.

Penelitian kami menunjukkan bahwa port antena linier pada kaki jembatan dekat sisi area sensitif memiliki efek penyerapan kopling yang kuat. Jadi kami mengatur sudut rotasi menjadi 360*n (n = 1.1 dan n = 1.6), lebar garis antena menjadi 1 μm, dan jarak hingga 2,5 μm (n = 1.1) dan 1,4 μm (n = 1.6) dan menyesuaikan jarak (i , ditunjukkan pada Gambar. 1c dengan gambar yang diperbesar sebagian) antara port antena pada kaki jembatan dan sambungan antara kaki jembatan dan area sensitif. Kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral dengan antena linier tunggal terpisah pada salah satu kaki jembatan untuk posisi antena linier berbeda saat n = 1.1 dan n = 1.6 masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 4a, b.

Kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral dengan antena linier tunggal terpisah di salah satu kaki jembatan saat n = 1.1 (a ) dan n = 1.6 (b ) untuk posisi antena linier yang berbeda

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, puncak absorpsi baru muncul pada frekuensi yang lebih rendah saat antena pada kaki jembatan dimasukkan, selain puncak absorpsi asli di dekat 3,5 Tz. Saat port antena di kaki jembatan mendekati area sensitif (i berubah dari 2,5 menjadi 2 μm), absorpsi pada frekuensi yang lebih tinggi kira-kira tetap sama, sedangkan laju absorpsi puncak dan frekuensi absorpsi menurun pada frekuensi yang lebih rendah. Menjadi jelas bahwa antena pada kaki jembatan berkontribusi pada penyerapan pada frekuensi yang lebih rendah. Kurva penyerapan antena tipe spiral dengan antena linier tunggal terpisah saat n = 1.6, ditunjukkan pada Gambar. 4b, menunjukkan puncak serapan yang lebar mendekati 2.52 THz. Hal ini karena puncak serapan antena tipe spiral pada lapisan penyangga dan puncak serapan antena pada kaki jembatan terjadi pada posisi dekat. Sebagai i berubah dari 2,5 menjadi 1 μm, kedua puncak serapan saling mendekat dan memperluas pita serapan. Penyerapan lebar lebih dari 40% dapat diperoleh dalam bandwidth 0,4 THz saat i = − 1,5 dan puncak serapan lebar tunggal dicapai dengan lebar setengah puncak 0,3 THz saat i = − 1.

Antena Tipe Spiral dengan Dua Antena Linear Terpisah di Kaki Jembatan

Untuk antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah, ditunjukkan pada Gambar 1d, kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral untuk posisi antena linier berbeda saat n = 1.1 dan n = 1.6, dengan pengaturan yang sama untuk parameter struktur lainnya termasuk lebar garis dan spasi, masing-masing ditunjukkan pada Gambar 5a, b. Variasi penyerapan THz memiliki kecenderungan yang sama pada umumnya seperti antena tipe spiral dengan antena linier terpisah yang ditunjukkan pada Gambar 4. Kedua kaki struktur jembatan mikro keduanya digunakan untuk menyiapkan antena, sehingga area antena lebih diperbesar. Ini menghasilkan tingkat penyerapan yang jauh lebih tinggi (lebih dari 90%) pada frekuensi yang lebih rendah saat n = 1.1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a dibandingkan dengan antena tipe spiral dengan antena linier tunggal yang terpisah. Pengenalan antena pada kaki jembatan juga meningkatkan penyerapan pada frekuensi asli yang lebih tinggi. Puncak serapan yang lebar juga diperoleh pada Gambar 5b ketika n = 1.6 dan penyerapan ditingkatkan secara signifikan. Dapat disimpulkan bahwa antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah pada kaki jembatan ketika n = 1.6 lebih cocok untuk digunakan dalam FPA mikro-bolometer THz berdasarkan struktur jembatan mikro karena penyerapannya yang lebih tinggi pada pita yang lebih lebar.

Kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah pada kaki jembatan saat n = 1.1 (a ) dan n = 1.6 (b ) untuk posisi antena linier yang berbeda

Gambar 6 menunjukkan diagram kerapatan energi medan listrik dan medan magnet untuk tiga jenis struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral yang dirancang sebelumnya. Dapat dilihat dari Gambar 6a, b bahwa untuk antena tipe spiral pada lapisan pendukung, penyerapan energi medan listrik terjadi terutama di bagian tengah dan kedua ujung antena tipe spiral sedangkan jalur antena berkontribusi paling besar dalam penyerapan. energi medan magnet, yang setuju dengan penelitian kami sebelumnya dilaporkan di [29]. Gambar 6c, d menunjukkan bahwa efek penyerapan kopling yang kuat dari energi medan listrik terjadi di port antena linier tunggal yang terpisah di kaki jembatan dekat sisi area sensitif, dan antena di kaki juga berkontribusi pada penyerapan energi medan magnet . Fenomena serupa dapat diamati untuk antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah pada kaki jembatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6e, f. Penyerapan energi medan listrik dan energi medan magnet meningkat di daerah penyerapan dan ditingkatkan dalam intensitas penyerapan karena daerah antena yang diperbesar. Gambar 6g, h menunjukkan distribusi rugi daya dalam struktur jembatan mikro yang digabungkan dengan antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah pada kaki jembatan saat n = 1.6 dan i = − 2 dari tampilan atas dan tampilan samping, masing-masing. Dapat dilihat dengan jelas dari Gbr. 6h bahwa rugi daya terbatas hampir seluruhnya di area sensitif pusat, yang dapat menyebabkan kenaikan suhu termosensitif VO_x film tipis terintegrasi di area sensitif pusat. Rugi daya yang disebabkan oleh antena tipe spiral pusat terutama terjadi di lapisan antena sementara sebagian besar rugi yang disebabkan oleh antena linier terpisah pada kaki jembatan terjadi di Si₃ N₄ lapisan pendukung. Ini berarti bahwa puncak absorpsi pada frekuensi yang lebih tinggi pada Gambar 5a disebabkan oleh hilangnya ohmik dari antena tipe spiral pusat sedangkan puncak absorpsi pada frekuensi yang lebih rendah dikaitkan dengan antena linier yang terpisah pada kaki jembatan karena kehilangan dielektrik, yang berkontribusi pada pembentukan puncak serapan yang lebar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Berdasarkan koefisien transmisi dan refleksi (S parameter) dari struktur, data hamburan dapat dibalik untuk menentukan indeks bias (n ) dan impedansi (z ), dari mana nilai self-consistent untuk permitivitas efektif (ε ) dan permeabilitas (μ ) dapat diperoleh [30]. Gambar 7a, b menunjukkan bagian nyata dan imajiner dari permeabilitas dan permitivitas efektif sebagai fungsi frekuensi untuk struktur jembatan mikro yang digabungkan dengan antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah saat n = 1.6 dan i =2, masing-masing. Dapat dilihat dari Gambar 7 bahwa resonansi yang jelas terjadi sekitar 2,52 THz, yang menginduksi hilangnya radiasi THz dan dua puncak absorpsi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b.

Distribusi rapat energi medan listrik, rapat energi medan magnet, dan rugi-rugi daya. Diagram kerapatan energi medan listrik (a ) dan medan magnet (b ) untuk antena tipe spiral pada lapisan pendukung saat n = 1.6; diagram kerapatan energi medan listrik (c ) dan medan magnet (d ) untuk antena tipe spiral dengan satu antena linier terpisah saat n = 1.6 dan i = − 2; diagram kerapatan energi medan listrik (e ) dan medan magnet (f ) untuk antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah saat n = 1.6 dan i = − 2; distribusi rugi daya dalam struktur jembatan mikro yang digabungkan dengan antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah saat n = 1.6 dan i = − 2 dari tampilan atas (g ) dan tampak samping (h )

Bagian nyata dan imajiner dari permeabilitas efektif (a ) dan permitivitas (b ) sebagai fungsi frekuensi untuk struktur jembatan mikro yang digabungkan dengan antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah saat n = 1.6 dan i = − 2

Antena Tipe Spiral dengan Dua Antena Linear Terhubung di Kaki Jembatan

Jenis antena tipe spiral lainnya, ditunjukkan pada Gambar 1e, diusulkan dengan dua antena linier yang terhubung pada kaki jembatan. Gambar 8 menunjukkan kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral saat n = 1.6, g (spasi) = 1.4 μm untuk lebar garis yang berbeda (f ). Dua puncak serapan tampak terlihat pada Gambar 8. Posisi puncak serapan bergerak perlahan ke frekuensi yang lebih rendah dengan bertambahnya lebar saluran antena, sedangkan laju serapan puncak berubah sedikit. Penyerapan sekitar 70% diperoleh pada 2,52 THz saat f = 1 μm, dan tingkat penyerapan setiap kurva pada 2,52 THz saat f = 0.8~ 1.1 μm di atas 50%. Hal ini menunjukkan bahwa perbedaan lebar jalur antena yang mungkin disebabkan oleh proses fabrikasi memiliki pengaruh kecil pada penyerapan THz, yang kondusif untuk desain struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral dan mengurangi kesulitan pembuatan dan realisasi. dari struktur yang dirancang untuk redundansi yang lebih besar diperbolehkan.

Kurva penyerapan gelombang THz dari struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral dengan dua antena linier yang terhubung pada kaki jembatan untuk lebar jalur yang berbeda (f )

Gambar 9 menunjukkan diagram kerapatan energi medan listrik dan medan magnet untuk antena tipe spiral dengan dua antena linier yang terhubung pada kaki jembatan saat lebar jalur 1 m. Daerah penyerapan energi medan listrik, yang ditunjukkan pada Gambar 9a, terutama terjadi di daerah sensitif dan daerah sambungan antara kaki jembatan dan daerah sensitif. Penyerapan energi medan magnet, ditunjukkan pada Gambar. 9b, terutama dikaitkan dengan kontribusi antena pada lapisan pendukung. Sebagian besar penyerapan terjadi pada lapisan pendukung dan dapat diubah menjadi kenaikan suhu VO_x film tipis.

Diagram kerapatan energi medan listrik (a ) dan medan magnet (b ) untuk struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral dengan dua antena linier terhubung pada kaki jembatan dan lebar garis 1 μm

Desain antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah atau dua antena linier terhubung pada kaki jembatan, ditunjukkan pada Gambar. 1d, e, adalah solusi yang baik untuk tingkat penyerapan tinggi pada frekuensi penyerapan rendah 2,52 Tz ketika sudut rotasi disetel ke 360*n (n = 1.6). Antena tipe spiral dengan dua antena linier terpisah memberikan puncak serapan yang lebar mendekati 2,52 Tz, sedangkan antena tipe spiral dengan dua antena linier yang terhubung memiliki puncak serapan yang relatif stabil dengan perubahan lebar saluran antena. Keuntungan lain dari antena tipe spiral dengan dua antena linier yang terhubung adalah bahwa antena dapat bertindak sebagai elektroda lead untuk integrasi tinggi dan penyederhanaan proses karena antena dan lapisan lead elektroda dapat dibuat dengan fotolitografi satu langkah dan proses pola. Hal ini memberikan struktur jembatan mikro berpasangan antena tipe spiral yang sangat terintegrasi dengan daya serap tinggi pada 2,52 THz dan cara yang sangat kompatibel dan disederhanakan untuk mewujudkan struktur tersebut.

Untuk detektor THz dengan struktur jembatan mikro yang digabungkan antena, waktu respons termal (τ ) tergantung pada konduktansi termal efektifnya (G _eff ) dan kapasitas panas total (C _tot ) melalui τ = C _tot /G _eff . G _eff didefinisikan melalui G _eff = G _kaki αV _bias Aku ₀ , di mana α adalah koefisien suhu arus dan V _bias dan Aku ₀ adalah tegangan bias dan arus detektor [31], masing-masing. G _kaki = 2σ _th A /l adalah konduktansi termal dari kaki jembatan, di mana σ _th adalah konduktivitas termal kaki dan A dan l masing-masing adalah luas penampang dan panjang kaki jembatan. Ini dikalikan dengan 2 karena ada dua kaki. Untuk struktur jembatan mikro yang pasti, konduksi panas dari kaki jembatan adalah tetap; G _eff juga akan diperbaiki [32]. τ akan ditentukan oleh C _tot , yang merupakan kapasitas panas total antena dan struktur jembatan mikro termasuk beban sedemikian rupa sehingga C _tot = C _semut + C _jembatan . Kapasitas panas antena ditentukan melalui C _semut = c _semut ρ _semut V _semut , di mana c _semut adalah panas spesifik antena, ρ _semut adalah kepadatan massa antena, dan V _semut adalah volume antena. C _jembatan didefinisikan dengan cara yang mirip dengan C _semut . Dapat disimpulkan bahwa C _tot terutama dibatasi oleh volume antena (V _semut ) untuk bahan antena tertentu pada struktur jembatan mikro tetap. Itulah mengapa kami berharap untuk mengurangi volume antena dengan menggunakan antena linier daripada antena planar untuk mencapai waktu respons termal yang lebih rendah. Untuk struktur jembatan mikro berpasangan antena yang dirancang dalam makalah ini dengan satu lapisan logam yang berfungsi baik sebagai antena dan lapisan timah elektroda, kapasitas panas total lebih lanjut dikurangi untuk C _tot C _jembatan . Dengan asumsi bahwa area sensitif pusat dari struktur jembatan mikro terdiri dari Si₃ N₄ film dengan ukuran sekitar 20 μm × 20 μm dan ketebalan 0,4 μm, dan lapisan antena terbuat dari film tipis Al dengan ketebalan 0,05 μm dan menutupi 1/3 area sensitif, kapasitas panas Si₃ N₄ film dan antena Al dapat dihitung karena kapasitas panas spesifik dan densitas massa PECVD Si₃ N₄ film adalah 0,17 J/(g*K) dan 2500 Kg/m ³ , sedangkan film tipis Al adalah 0,91 J/(g*K) dan 2700 Kg/m ³ , masing-masing. Hasilnya menunjukkan bahwa untuk struktur jembatan mikro yang digabungkan antena dengan antena tunggal dan lapisan timah elektroda, kapasitas panas total dapat dikurangi menjadi 83,7% dari struktur jembatan mikro tradisional dengan dua lapisan logam yang bertindak sebagai antena dan kabel elektroda. 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.