Broadband THz Penyerapan Array Mikrobolometer Terintegrasi dengan Split-Ring Resonator

Hasil dan Diskusi

Array mikrobolometer THz terdiri dari banyak piksel struktur jembatan mikro dalam pengaturan berulang dua dimensi pada bidang fokus. Setiap piksel mengukur radiasi THz secara independen. Struktur jembatan mikro ditunjukkan pada Gambar 1a, yang terdiri dari film berlapis-lapis yang sensitif dan dua kaki yang menopang film. Film berlapis-lapis mencakup lapisan pendukung 250 nm (silikon nitrida, Si₃ N₄ ), film sensitif termal 60 nm (vanadium oksida, VO_x ), lapisan pasif 150 nm (Si₃ N₄ ) dan lapisan serapan gelombang THz (Al) dari bawah ke atas. Kaki digunakan untuk mendukung mekanis, saluran listrik dan termal. VO_x film dihubungkan melalui kaki dengan elektroda sirkuit pembacaan (ROIC) yang terintegrasi ke dalam substrat silikon (Si). Gelombang THz yang diserap oleh lapisan absorpsi menyebabkan perubahan temperatur pada lapisan multilayer dan perubahan resistansi VO_x film yang dideteksi oleh ROIC. Rongga setinggi 2 m untuk insulasi termal terbentuk antara lapisan reflektif (Al) dengan ketebalan 400 nm pada substrat Si dan film berlapis-lapis yang sensitif. Dalam makalah ini, split-ring dengan empat bukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b, diintegrasikan ke dalam struktur jembatan mikro sebagai lapisan serapan THz. Untuk meningkatkan bandwidth penyerapan THz, struktur cincin ganda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, cincin-terpisah yang digabungkan dengan disk Al seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d dan struktur cincin-ganda yang digabungkan dengan disk Al seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1e juga dipelajari.

Desain struktur jembatan mikro yang digabungkan dengan resonator cincin-terpisah. a Tampilan penampang struktur jembatan mikro. b Split-ring dengan empat bukaan. c Struktur cincin ganda. d Split-ring dikombinasikan dengan disk Al. e Struktur dual-ring dikombinasikan dengan disk Al. f Sel unit tunggal array mikrobolometer THz yang diterangi oleh cahaya insiden vertikal

Gambar 2a menunjukkan serapan gelombang THz dari struktur cincin-terpisah periodik dengan lebar bukaan yang berbeda (s ). Cincin belah memiliki radius luar 15 μm, radius bagian dalam 10 μm, dan ketebalan 10 nm. Jika lebar bukaan cincin pemisah adalah 1 μm, 2 μm, 4 μm, dan 6 μm, frekuensi penyerapan resonansi masing-masing adalah 5 THz, 5,7 THz, 6,2 THz, dan 7,1 THz. Penyerapan puncak setiap struktur adalah sekitar 100%. Dengan bertambahnya lebar bukaan, frekuensi penyerapan resonansi meningkat. Bukaan cincin split dapat dianggap sebagai kapasitansi ekivalen (C ) sedangkan bagian cincin logam dari cincin-terpisah dapat dianggap sebagai induktansi ekivalen (L ) dan frekuensi resonansi (\(\omega\)) dapat dinyatakan sebagai \(\omega =\frac{1}{\sqrt{LC}}\). Peningkatan lebar bukaan menghasilkan pengurangan kapasitansi ekivalen dan peningkatan frekuensi resonansi. Oleh karena itu, penyerapan resonansi yang tinggi pada frekuensi yang lebih rendah dapat dicapai dengan lebar bukaan yang lebih kecil dari cincin-belah. Gambar 2b menunjukkan serapan gelombang THz dari struktur cincin-terpisah periodik dengan lebar cincin yang berbeda (d ). Split-ring memiliki radius luar 15 μm, lebar bukaan 2 m, dan ketebalan 10 nm. Terlihat bahwa dengan mengecilnya lebar ring maka frekuensi serapan resonansi dan puncak serapan semakin menurun. Penyerapan puncak mencapai 100% pada 5,7 THz dan 97% pada 5,3 THz dengan lebar cincin masing-masing 5 μm dan 3 μm. Ketika lebar cincin 1 μm, frekuensi penyerapan resonansi adalah 5 THz dan penyerapan puncak berkurang hingga 60%. Penurunan frekuensi penyerapan resonansi dikaitkan dengan peningkatan induktansi ekivalen saat lebar cincin berkurang.

a Penyerapan gelombang THz dari struktur cincin-terpisah periodik dengan lebar bukaan berbeda (s ). Cincin belah memiliki radius luar 15 μm, radius bagian dalam 10 μm, dan ketebalan 10 nm. b Penyerapan gelombang THz dari struktur cincin-terbelah periodik dengan lebar cincin yang berbeda (d ). Split-ring memiliki radius luar 15 μm, lebar bukaan 2 μm, dan ketebalan 10 nm

Struktur split-ring periodik dapat memberikan penyerapan gelombang THz tinggi pada frekuensi resonansi. Namun, puncak penyerapannya sempit. Untuk meningkatkan bandwidth absorpsi, struktur periodik dari beberapa kombinasi cincin split dan disk Al yang berbeda diintegrasikan ke dalam susunan struktur jembatan mikro. Gambar 3a menunjukkan penyerapan gelombang THz dari struktur cincin ganda periodik dengan radius luar yang berbeda dari cincin pemisah bagian dalam (r _i ). Struktur cincin ganda memiliki lebar bukaan 2 μm dan ketebalan 10 nm. Jari-jari luar cincin pemisah luar adalah 17 μm dan lebar kedua cincin pemisah adalah 2 μm. Struktur cincin ganda memiliki dua puncak serapan. Saat jari-jari luar cincin pemisah bagian dalam meningkat dari 11 menjadi 13 m, satu frekuensi penyerapan resonansi tetap tidak berubah pada 3,3 THz sementara frekuensi penyerapan resonansi lainnya menurun dari 5,1 menjadi 4,3 THz. Puncak serapan pada frekuensi yang lebih rendah dan frekuensi yang lebih tinggi, masing-masing, disumbangkan oleh cincin split luar dan cincin split dalam. Saat dua cincin pemisah semakin dekat, kedua puncak serapan digabungkan satu sama lain dan membentuk pita serapan yang lebih lebar. Namun, struktur ini menunjukkan penyerapan yang relatif rendah sebesar 25–55% pada pita serapan 3,2–5,2 THz.

a Penyerapan gelombang THz dari struktur cincin ganda periodik dengan jari-jari luar yang berbeda dari cincin pemisah bagian dalam (r _i ). Struktur cincin ganda memiliki lebar bukaan 2 μm dan ketebalan 10 nm. Jari-jari luar cincin pemisah luar adalah 17 μm dan lebar kedua cincin pemisah adalah 2 μm. b Penyerapan gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi cincin-terpisah dan piringan Al dengan jari-jari piringan yang berbeda (r _d ). Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Cincin belah memiliki jari-jari luar 17 μm, lebar cincin 2 μm, dan lebar bukaan 2 μm. c Penyerapan gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi dua cincin-terpisah dan piringan Al dengan jari-jari piringan yang berbeda (r _d ). Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Kedua cincin pemisah memiliki lebar cincin 2 μm, lebar bukaan 2 μm, dan radius luar masing-masing 17 μm dan 14 μm

Penyerapan gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi cincin-terpisah dan piringan Al dengan jari-jari piringan yang berbeda (r _d ) ditunjukkan pada Gambar. 3b. Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Cincin belah memiliki jari-jari luar 17 μm, lebar cincin 2 μm, dan lebar bukaan 2 μm. Struktur periodik memiliki dua puncak serapan. Salah satu puncak serapan terletak di dekat 4,3 THz, yang tidak berubah dengan jari-jari piringan Al. Dengan bertambahnya jari-jari piringan dari 6 menjadi 12 m, puncak serapan lain pada frekuensi yang lebih tinggi bergerak ke arah frekuensi yang lebih rendah dan perubahan puncak serapan tidak signifikan. Puncak absorpsi di dekat 4,3 THz disumbangkan oleh cincin split sedangkan puncak absorpsi pada frekuensi yang lebih tinggi bergerak dengan perubahan struktur disk disumbangkan oleh disk Al. Jika radius disk 12 m, penyerapan broadband diperoleh dengan lebar sekitar 2 THz. Gambar 3c menunjukkan penyerapan gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi dua cincin-terpisah dan piringan Al dengan jari-jari piringan yang berbeda (r _d ). Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Kedua cincin pemisah memiliki lebar cincin 2 μm, lebar bukaan 2 μm, dan jari-jari luar masing-masing 17 μm dan 14 μm. Frekuensi penyerapan resonansi adalah sekitar 4,2 THz untuk cincin split luar dan antara 5,5 dan 6 THz untuk cincin split dalam. Jika jari-jari piringan Al adalah 7 m, puncak serapan resonansi berada pada 8,2 THz. Jika jari-jari piringan adalah 9 m, puncak absorpsinya bergerak ke 6,5 THz dan berpasangan dengan puncak absorpsi cincin-belah bagian dalam. Struktur periodik dari kombinasi dua cincin-terpisah dan cakram Al memberikan penyerapan pita lebar dalam 4–7 THz. Penyerapan tertinggi di pita mencapai 90% dan penyerapan terendah lebih tinggi dari 40%.

Gambar 4 menunjukkan distribusi kerapatan energi medan listrik, kerapatan energi medan magnet, dan kehilangan daya dalam struktur cincin ganda periodik yang digabungkan dengan piringan Al pada frekuensi penyerapan resonansi yang berbeda. Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Kedua cincin pemisah memiliki lebar cincin 2 μm, lebar bukaan 2 μm, dan jari-jari luar masing-masing 17 μm dan 14 μm. Disk Al memiliki radius 9 μm. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3c, struktur periodik ini memiliki empat puncak serapan pada frekuensi 4,28 THz, 5,74 THz, 6,5 THz, dan 8,5 THz. Distribusi rapat energi medan listrik, rapat energi medan magnet dan rugi-rugi daya pada keempat frekuensi serapan resonansi menunjukkan daerah serapan utama gelombang THz dalam struktur. Dapat dilihat bahwa cincin pisah luar, cincin pisah bagian dalam dan piringan berkontribusi terutama pada penyerapan resonansi pada masing-masing 4,28 THz, 5,74 THz dan 6,5 THz. Ini mendukung analisis sebelumnya dari puncak penyerapan. Puncak penyerapan rendah pada 8,5 THz dikaitkan dengan kopling struktur periodik. Gambar 4d menunjukkan tampilan penampang distribusi kerapatan medan listrik dalam struktur cincin ganda periodik yang dikombinasikan dengan piringan Al pada frekuensi penyerapan resonansi 5,74 THz dan 6,5 THz. Kuat medan listrik dapat diamati pada lapisan logam dan lapisan dielektrik. Penyerapan ini terutama disebabkan oleh kerugian ohmik pada lapisan logam dan kerugian dielektrik pada lapisan dielektrik. Sebagian besar penyerapan terjadi pada lapisan pendukung dan dapat diubah menjadi kenaikan suhu VO_x film tipis.

Tampilan atas distribusi kerapatan medan listrik (a ), distribusi kerapatan medan magnet (b ), kehilangan daya (c ) dan tampilan penampang distribusi kerapatan medan listrik (d ) dalam struktur periodik dua cincin-terpisah yang digabungkan dengan piringan Al pada frekuensi penyerapan resonansi yang berbeda. Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Kedua cincin pemisah memiliki lebar cincin 2 μm, lebar bukaan 2 μm, dan jari-jari luar masing-masing 17 μm dan 14 μm. Disk Al memiliki radius 9 μm

Penyerapan gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi dua cincin-terpisah dan piringan Al dengan ketebalan yang berbeda (t ) ditunjukkan pada Gbr. 5. Dalam struktur periodik pada Gbr. 5a, dua cincin belah memiliki lebar cincin 1 m, lebar bukaan 2 m, dan jari-jari luar masing-masing 17 m dan 15 μm. Disk Al memiliki radius 13 μm. Jarak antara struktur yang berdekatan adalah 1 μm. Puncak serapan dari struktur yang berbeda digabungkan bersama dan membentuk pita serapan yang lebar. Dengan bertambahnya ketebalan lapisan absorpsi, bandwidth absorpsi menjadi lebih sempit. Namun, ketika ketebalan lebih besar dari 30 nm, karakteristik penyerapan struktur periodik tidak berubah secara signifikan, menunjukkan penyerapan yang relatif stabil. Dalam struktur periodik pada Gambar 5b, dua cincin-terbelah memiliki lebar cincin 2 m, lebar bukaan 2 m, dan jari-jari luar masing-masing 17 m dan 13 μm. Disk Al memiliki radius 9 μm. Jarak antara struktur yang berdekatan adalah 2 μm. Ketika ketebalan lapisan absorpsi adalah 10 nm, struktur periodik ini memberikan absorpsi pita lebar pada 4–7 THz dengan absorpsi gelombang THz sebesar 40–90% pada pita. Ketika ketebalan meningkat, pita serapan secara bertahap menjadi dua puncak serapan independen. Meskipun serapan puncak sangat tinggi, sulit untuk membentuk pita serapan lebar dari gelombang THz.

Penyerapan gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi dua cincin-terpisah dan piringan Al dengan ketebalan yang berbeda (t ). a Dua cincin pemisah memiliki lebar cincin 1 μm, lebar bukaan 2 μm, dan jari-jari luar masing-masing 17 μm dan 15 m. Disk Al memiliki radius 13 μm. b Dua cincin pemisah memiliki lebar cincin 2 μm, lebar bukaan 2 μm, dan jari-jari luar masing-masing 17 μm dan 13 μm. Disk Al memiliki radius 9 μm

Untuk menyelidiki sifat absorpsi di bawah iluminasi kejadian miring, absorpsi gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi dua cincin-terbelah dan piringan Al dengan sudut datang berbeda 0° (kejadian normal), 10°, 20°, 40 °, 60 ° dan 80 ° disimulasikan dan ditunjukkan pada Gambar. 6. Dalam struktur periodik, dua cincin-terbelah memiliki lebar cincin 2 μm, lebar bukaan 2 μm dan jari-jari luar 17 μm dan 13 μm , masing-masing. Disk Al memiliki radius 9 m dan ketebalan 10 nm. Jarak antara struktur yang berdekatan adalah 2 μm. Ketika sudut datang meningkat, dua frekuensi penyerapan puncak bergerak ke arah frekuensi yang lebih rendah sedikit. Ketika sudut datang kurang dari 30 °, perubahan tingkat penyerapan puncak tidak signifikan. Namun, kekuatan penyerapan akan berkurang secara signifikan ketika sudut datang lebih besar dari 40°.

Penyerapan gelombang THz dari struktur periodik dari kombinasi dua cincin-terbelah dan piringan Al dengan sudut datang yang berbeda. Kedua cincin pemisah memiliki lebar cincin 2 μm, lebar bukaan 2 μm, dan jari-jari luar masing-masing 17 μm dan 13 μm. Disk Al memiliki radius 9 μm dan ketebalan 10 nm