Penyerapan THz Lebar Pita Tingkat Pada Array Mikrobolometer melalui Resonator Cincin Split Terintegrasi

Abstract

Dalam makalah ini, struktur periodik berbasis resonator cincin split logam diintegrasikan ke dalam struktur micro-bridge array mikrobolometer THz untuk mencapai penyerapan gelombang THz yang tinggi pada rentang frekuensi lebar. Dengan ukuran unit kecil 35 μm × 35 μm, efek struktur cincin split terhadap karakteristik penyerapan gelombang THz array struktur berlapis dikaji untuk memanipulasi frekuensi resonansi penyerapan. Lebar pita penyerapan efektif ditingkatkan melalui integrasi struktur gabungan cincin split dan cakram logam. Penyerapan THz lebar pita dibentuk melalui pengikutan puncak penyerapan struktur yang berbeda. Struktur periodik cincin ganda gabungan cakram logam menyediakan penyerapan gelombang THz lebar pita pada rentang 4–7 THz. Penyerapan tertinggi pada pita mencapai 90% dan penyerapan terendah di atas 40%. Struktur yang dirancang kompatibel dengan proses dan mudah diterapkan untuk mikrobolometer THz piksel kecil dengan penyerapan tinggi pada rentang spektrum lebar. Penelitian ini menyediakan skema untuk penyensoran THz lebar pita dan citra real-time pada suhu kamar.

Pendahuluan

Gelombang terahertz (THz) dengan panjang gelombang 30 μm hingga 3 mm merupakan bagian yang sangat penting namun jarang dieksplorasi dari spektrum elektromagnetik. Aplikasi teknologi THz mencakup pemeriksaan keamanan [1, 2], kedokteran [3, 4], komunikasi [5, 6] dan astronomi [7]. Teknologi THz telah mengalami kemajuan besar dalam beberapa tahun terakhir seiring perkembangan sumber dan perangkat untuk pembangkitan serta deteksi gelombang THz [8, 9]. Detektor THz terutama didasarkan pada efek fotoelektrik dan efek termal. Detektor foton seperti bolometer superkonduktor dapat digunakan untuk deteksi dengan sensitivitas dan kecepatan tinggi [10, 11]; namun, memerlukan pendinginan hingga suhu sangat rendah. Detektor bolometer termal yang menyerap gelombang THz dan menyebabkan perubahan suhu pada film termosensitif dapat dioperasikan pada suhu kamar dan memiliki keuntungan besar dalam integrasi array skala besar, konfigurasi sederhana serta biaya rendah [12,13,14]. Array mikrobolometer THz terdiri dari piksel dengan struktur micro-bridge, yang dikembangkan dari teknologi mikrobolometer inframerah (IR) matang dengan mekanisme konversi termal yang sama dan dilengkapi dengan sumber THz. Kelemahan kritis struktur micro-bridge konvensional adalah penyerapan gelombang THz yang buruk, yang menyebabkan sensitivitas rendah. Beberapa perbaikan telah dilakukan pada struktur micro-bridge untuk penyerapan THz yang ditingkatkan, termasuk integrasi film tipis logam pencocokan impedansi dan antena yang diatur ke frekuensi target [15,16,17,18]. Namun, film tipis logam menunjukkan penyerapan terbatas (≤ 50%), sedangkan struktur micro-bridge yang dikaitkan antena umumnya memiliki puncak penyerapan gelombang THz yang sempit. Untuk mencapai penyerapan THz yang tinggi pada rentang spektrum lebar, lapis dielektrik tipis dan lapis logam tipis dapat ditambahkan pada permukaan atas penyerap tiga lapis konvensional [19]. Metode pengikutan fase dan respons kopling kuat juga dapat meningkatkan lebar pita penyerapan atau mewujudkan penyerapan multiband [20,21,22,23]. Namun, sebagian besar struktur tidak dapat diintegrasikan dalam piksel kecil dengan struktur micro-bridge array mikrobolometer THS tanpa mengorbankan properti termal dan mekanis.

Resonator cincin split adalah struktur yang banyak dikaji untuk memanipulasi gelombang elektromagnetik dengan mengekscitasi plasmon permukaan yang terjebak dalam struktur periodik [24, 25]. Dalam makalah ini, dengan tujuan meningkatkan penyerapan array mikrobolometer THz, cincin split logam dengan empat pembukaan diintegrasikan ke dalam struktur micro-bridge dengan ukuran kecil 35 μm × 35 μm. Untuk meningkatkan lebar pita penyerapan, struktur periodik resonator cincin split yang dikombinasikan dengan cincin split lain dan cakram logam dikaji. Penyerapan THz lebar pita dicapai dengan mengikuti puncak penyerapan struktur yang berbeda. Struktur cincin ganda yang dikombinasikan dengan cakram aluminium (Al) menyediakan penyerapan gelombang THz lebar pita pada rentang 4–7 THz dengan penyerapan tertinggi 90% dan penyerapan terendah di atas 40%. Metode pengikutan fase dan respons kopling kuat juga dapat meningkatkan lebar pita atau mewujudkan penyerapan multiband.

Hasil dan Pembahasan

Array mikrobolometer THz terdiri dari banyak piksel struktur micro-bridge dalam susunan berulang dua dimensi pada bidang titik fokus. Setiap piksel mengukur radiasi THz secara independen. Struktur micro-bridge ditunjukkan pada Gambar 1a, yang terdiri dari film berlapis sensitif dan dua kaki yang mendukung film. Film berlapis mencakup lapisan pendukung 250 nm (nitrida silicone, Si₃N₄), film termosensitif 60 nm (oksida vanadium, VOₓ), lapisan passivasi 150 nm (Si₃N₄) dan lapisan penyerapan gelombang THz (Al) dari bawah ke atas. Kaki digunakan untuk pendukung mekanis, saluran listrik dan termal. Film VOₓ terhubung melalui kaki ke elektroda sirkuit baca (ROIC) yang diintegrasikan pada substrat silicone (Si). Gelombang THz yang diserap oleh lapisan penyerapan menyebabkan perubahan suhu pada film berlapis dan perubahan resistensi film VOₓ yang terdeteksi oleh ROIC. Ruang kosong 2 μm tinggi untuk isolasi termal terbentuk antara lapisan refleksi (Al) dengan ketebalan 400 nm pada substrat Si dan film berlapis sensitif. Dalam makalah ini, cincin split dengan empat pembukaan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1b, diintegrasikan ke dalam struktur micro-bridge sebagai lapisan penyerapan THS. Untuk meningkatkan lebar pita penyerapan THz, struktur cincin ganda seperti ditunjukkan pada Gambar 1c, cincin split yang dikombinasikan dengan cakram Al seperti ditunjukkan pada Gambar 1d dan struktur cincin ganda yang dikombinasikan dengan cakram Al seperti ditunjukkan pada Gambar 1e juga dikaji.

Penyerapan THz Lebar Pita Tingkat Pada Array Mikrobolometer melalui Resonator Cincin Split Terintegrasi

Gambar 2a menunjukkan penyerapan gelombang THz struktur cincin split periodik dengan lebar pembukaan yang berbeda (s). Cincin split memiliki jari-jari luar 15 μm, jari-jari dalam 10 μm dan ketebalan 10 nm. Ketika lebar pembukaan cincin split adalah 1 μm, 2 μm, 4 μm dan 6 μm, frekuensi resonansi penyerapan adalah 5 THz, 5.7 THz, 6.2 THz dan 7.1 THz, masing-masing. Penyerapan puncak setiap struktur sekitar 100%. Seiring bertambahnya lebar pembukaan, frekuensi resonansi penyerapan meningkat. Pembukaan cincin split dapat dianggap sebagai kapasitansi ekivalen (C) sementara bagian cincin logam cincin split dapat dianggap sebagai induktansi ekivalen (L) dan frekuensi resonansi (\(\omega\)) dapat diekspresikan sebagai \(\omega =\frac{1}{\sqrt{LC}}\). Peningkatan lebar pembukaan mengakibatkan pengurangan kapasitansi ekivalen dan peningkatan frekuensi resonansi. Oleh karena itu, penyerapan resonansi tinggi pada frekuensi yang lebih rendah dapat dicapai dengan lebar pembukaan cincin split yang lebih kecil. Gambar 2b menunjukkan penyerapan gelombang THz struktur cincin split periodik dengan lebar cincin yang berbeda (d). Cincin split memiliki jari-jari luar 15 μm, lebar pembukaan 2 μm dan ketebalan 10 nm. Terlihat bahwa seiring berkurangnya lebar cincin, frekuensi resonansi penyerapan dan penyerapan puncak menurun. Penyerapan puncak mencapai 100% pada 5.7 THz dan 97% pada 5.3 THz dengan lebar cincin 5 μm dan 3 μm, masing-masing. Ketika lebar cincin adalah 1 μm, frekuensi resonansi penyerapan adalah 5 THz dan penyerapan puncak menurun hingga 60%. Pengurangan frekuensi resonansi penyerapan disebabkan oleh peningkatan induktansi ekivalen seiring berkurangnya lebar cincin.

Struktur cincin split periodik dapat memberikan penyerapan gelombang THz yang tinggi pada frekuensi resonansi. Namun, puncak penyerapan sempit. Untuk meningkatkan lebar pita penyerapan, struktur periodik dari beberapa kombinasi berbeda cincin split dan cakram Al diintegrasikan ke dalam array struktur micro-bridge. Gambar 3a menunjukkan penyerapan gelombang THz struktur cincin ganda periodik dengan jari-jari luar cincin split dalam yang berbeda (r_i). Struktur cincin ganda memiliki lebar pembukaan 2 μm dan ketebalan 10 nm. Jari-jari luar cincin split luar adalah 17 μm dan lebar kedua cincin split adalah 2 μm. Struktur cincin ganda memiliki dua puncak penyerapan. Seiring bertambahnya jari-jari luar cincin split dalam dari 11 hingga 13 μm, satu frekuensi resonansi penyerapan tetap tidak berubah pada 3.3 THz sementara frekuensi resonansi penyerapan yang lain menurun dari 5.1 hingga 4.3 THz. Puncak penyerapan pada frekuensi rendah dan tinggi, masing-masing, dikontribusikan oleh cincin split luar dan cincin split dalam. Seiring mendekatnya kedua cincin split, dua puncak penyerapan saling terikap dan membentuk pita penyerapan yang lebih lebar. Namun, struktur ini menunjukkan penyerapan yang relatif rendah sebesar 25–55% pada pita penyerapan 3.2–5.2 THz.

Penyerapan gelombang THz struktur periodik kombinasi cincin split dan cakram Al dengan jari-jari cakram yang berbeda (r_d) ditunjukkan pada Gambar 3b. Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Cincin split memiliki jari-jari luar 17 μm, lebar cincin 2 μm dan lebar pembukaan 2 μm. Struktur periodik memiliki dua puncak penyerapan. Salah satu puncak penyerapan terletak di sekitar 4.3 THz, yang tidak berubah dengan jari-jari cakram Al. Seiring bertambahnya jari-jari cakram dari 6 hingga 12 μm, puncak penyerapan lain pada frekuensi lebih tinggi bergerak ke arah frekuensi lebih rendah dan perubahan penyerapan puncak tidak signifikan. Puncak penyerapan di sekitar 4.3 THz dikontribusikan oleh cincin split sementara puncak penyerapan pada frekuensi lebih tinggi yang bergerak seiring perubahan struktur cakram dikontribusikan oleh cakram Al. Ketika jari-jari cakram adalah 12 μm, penyerapan lebar pita diperoleh dengan lebar sekitar 2 THz. Gambar 3c menunjukkan penyerapan gelombang THz struktur periodik kombinasi dua cincin split dan cakram Al dengan jari-jari cakram yang berbeda (r_d). Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Kedua cincin split memiliki lebar cincin 2 μm, lebar pembukaan 2 μm dan jari-jari luar 17 μm dan 14 μm, masing-masing. Frekuensi resonansi penyerapan sekitar 4.2 THz untuk cincin split luar dan antara 5.5 hingga 6 THz untuk cincin split dalam. Ketika jari-jari cakram Al adalah 7 μm, puncak penyerapan resonansi berada pada 8.2 THz. Ketika jari-jari cakram adalah 9 μm, puncak penyerapannya bergerak ke 6.5 THz dan terikap dengan puncak penyerapan cincin split dalam. Struktur periodik kombinasi dua cincin split dan cakram Al menyediakan penyerapan lebar pita pada 4–7 THz. Penyerapan tertinggi pada pita mencapai 90% dan penyerapan terendah di atas 40%.

Gambar 4 menunjukkan distribusi kepadatan energi medan listrik, kepadatan energi medan magnet dan kerugian daya pada struktur cincin ganda periodik yang dikombinasikan dengan cakram Al pada frekuensi resonansi penyerapan yang berbeda. Struktur periodik memiliki ketebalan 10 nm. Kedua cincin split memiliki lebar cincin 2 μm, lebar pembukaan 2 μm dan jari-jari luar 17 μm dan 14 μm, masing-masing. Cakram Al memiliki jari-jari 9 μm. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3c, struktur periodik ini memiliki empat puncak penyerapan pada frekuensi 4.28 THz, 5.74 THz, 6.5 THz dan 8.5 THz. Distribusi kepadatan energi medan listrik, kepadatan energi medan magnet dan kerugian daya pada keempat frekuensi resonansi penyerapan menunjukkan area penyerapan utama gelombang THz dalam struktur. Terlihat bahwa cincin split luar, cincin split dalam dan cakram berkontribusi terutama pada penyerapan resonansi masing-masing pada 4.28 THz, 5.74 THz dan 6.5 THz. Ini mendukung analisis sebelumnya tentang puncak penyerapan. Puncak penyerapan rendah pada 8.5 THz disebabkan oleh kopling struktur periodik. Gambar 4d menunjukkan tampilan penampang distribusi kepadatan medan listrik dalam struktur cincin ganda periodik yang dikombinasikan dengan cakram Al pada frekuensi resonansi penyerapan 5.74 THz dan 6.5 THz. Medan listrik yang kuat dapat diamati pada lapisan logam dan lapisan dielektrik. Penyerapan terutama disebabkan oleh kerugian ohmik pada lapisan logam dan kerugian dielektrik pada lapisan dielektrik. Sebagian besar penyerapan terjadi pada lapisan pendukung dan dapat ditransformasi menjadi kenaikan suhu film tipis VOₓ.

Penyerapan gelombang THz struktur periodik kombinasi dua cincin split dan cakram Al dengan ketebalan yang berbeda (t) ditunjukkan pada Gambar 5. Pada struktur periodik dalam Gambar 5a, kedua cincin split memiliki lebar cincin 1 μm, lebar pembukaan 2 μm dan jari-jari luar 17 μm dan 15 μm, masing-masing. Cakram Al memiliki jari-jari 13 μm. Jarak antara struktur yang berdekatan adalah 1 μm. Puncak penyerapan struktur yang berbeda terikap bersama dan membentuk pita penyerapan lebar. Seiring bertambahnya ketebalan lapisan penyerapan, lebar pita penyerapan menjadi sempit. Namun, ketika ketebalan lebih dari 30 nm, karakteristik penyerapan struktur periodik tidak berubah secara signifikan, menunjukkan penyerapan yang relatif stabil. Pada struktur periodik dalam Gambar 5b, kedua cincin split memiliki lebar cincin 2 μm, lebar pembukaan 2 μm dan jari-jari luar 17 μm dan 13 μm, masing-masing. Cakram Al memiliki jari-jari 9 μm. Jarak antara struktur yang berdekatan adalah 2 μm. Ketika ketebalan lapisan penyerapan adalah 10 nm, struktur periodik ini menyediakan penyerapan lebar pita pada 4–7 THz dengan penyerapan gelombang THz 40–90% pada pita. Seiring bertambahnya ketebalan, pita penyerapan secara bertahap menjadi dua puncak penyerapan independen. Meskipun penyerapan puncak sangat tinggi, sulit untuk membentuk pita penyerapan gelombang THz yang lebar.

Untuk menyelidiki properti penyerapan bawah iluminasi insiden bersudut, penyerapan gelombang THz struktur periodik kombinasi dua cincin split dan cakram Al dengan sudut insiden berbeda 0° (insiden normal), 10°, 20°, 40°, 60° dan 80° disimulasikan dan ditunjukkan pada Gambar 6. Pada struktur periodik, kedua cincin split memiliki lebar cincin 2 μm, lebar pembukaan 2 μm dan jari-jari luar 17 μm dan 13 μm, masing-masing. Cakram Al memiliki jari-jari 9 μm dan ketebalan 10 nm. Jarak antara struktur yang berdekatan adalah 2 μm. Seiring bertambahnya sudut insiden, dua frekuensi penyerapan puncak bergerak ke arah frekuensi lebih rendah sedikit. Ketika sudut insiden kurang dari 30°, perubahan laju penyerapan puncak tidak signifikan. Namun, kekuatan penyerapan akan menurun secara signifikan ketika sudut insiden lebih dari 40°.

Kesimpulan

Struktur periodik berbasis resonator cincin split Al pada array struktur micro-bridge dengan ukuran unit 35 μm × 35 μm dikaji dengan tujuan meningkatkan penyerapan gelombang THz dan meningkatkan lebar pita penyerapan mikrobolometer THz. Frekuensi resonansi penyerapan resonator cincin split ditentukan oleh lebar pembukaan dan lebar cincin. Struktur periodik kombinasi cincin split dan cakram Al diintegrasikan ke dalam array struktur micro-bridge. Dengan mengikuti puncak penyerapan struktur yang berbeda, lebar pita penyerapan efektif ditingkatkan. Penyerapan gelombang THz yang tinggi pada rentang frekuensi 4–7 THz dengan penyerapan 40–90% dicapai oleh struktur cincin ganda periodik yang dikombinasikan dengan cakram. Struktur ini memenuhi persyaratan mikrobolometer THz untuk ukuran piksel kecil, penyerapan tinggi dan respons spektrum lebar.

Metode

Kami melakukan simulasi numerik elemen hingga menggunakan CST Microwave Studio 2016. Kami mensimulasikan sel kubik tunggal array mikrobolometer THz dengan ukuran 35 μm × 35 μm, seperti ditunjukkan pada Gambar 1f. Vektor gelombang k merambat melalui arah z dengan medan listrik sempurna pada bidang x–z dan medan magnet sempurna pada bidang y–z. Kami menetapkan port masukan dan keluaran pada permukaan atas dan bawah sel kubik unit, yang masing-masing ditandai sebagai port “1” dan port “2.” Simulasi menghasilkan parameter S kompleks yang bergantung pada frekuensi, dari mana kami memperoleh reflectansi R =|S₁₁|² pada port “1” dan transmitansi T =|S₂₁|² pada port “2” dengan kondisi batas periodik (PBC) pada arah x dan y. Penyerapan struktur periodik dihitung melalui A = 1 −|S₁₁|² −|S₂₁|². Untuk struktur yang diusulkan pada Gambar 1b–e, lapisan penyerapan Al dan lapisan refleksi diimodel menggunakan model Drude dengan frekuensi plasmas \(\omega_p =\) 92.700 cm⁻¹ dan frekuensi pelurusan \(\omega_\tau =\) 408 cm⁻¹ [26]. Lapisan pendukung dan passivasi dengan ketebalan total 400 nm diimodel sebagai film optik Si₃N₄ dengan permisivitas dispersi model orde kedua (fit) di CST dan permeabilitas 1. Ruang kosong diimodel dengan permisivitas 1 dan permeabilitas 0 S/m.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang mendukung kesimpulan artikel ini termasuk dalam artikel.

Singkatan

THz:: Terahertz
IR:: Inframerah
Al:: Aluminium
Si₃N₄:: Nitrida silicone
VOₓ:: Oksida vanadium
ROIC:: Sirkuit baca terintegrasi
Si:: Silicone
PBC:: Kondisi batas periodik

Penyelidikan ROS dan Penghentian Siklus Sel dalam Efek Genotoksik Nanostruktur Core Emas/C Shell Perak Titik Karbon N-Doped Multicerah Cerah dari Asam Askorbat dan Fenilenediamin: Emisi Disesuaikan melalui Polaritas Pelarut dan pH

bahan nano