Melhoria de modulação e absorção de frequência do microbolômetro THz com estrutura de microponte por antenas tipo espiral

Resumo

A estrutura de micro-ponte acoplada a antena é comprovadamente uma boa solução para estender a tecnologia de micro-bolômetro infravermelho para aplicação THz. As antenas do tipo espiral são propostas em uma estrutura de micro ponte de 25 μm × 25 μm com uma única antena linear separada, duas antenas lineares separadas ou duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte, além da antena tradicional do tipo espiral na camada de suporte . Os efeitos dos parâmetros estruturais de cada antena na absorção THz da estrutura da microponte são discutidos para absorção otimizada da onda de 2,52 THz irradiada pelo infravermelho distante CO ₂ lasers. O projeto da antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas para pico de absorção amplo e antena do tipo espiral com duas antenas lineares conectadas para absorção relativamente estável são bons candidatos para alta absorção em baixa frequência de absorção com um ângulo de rotação de 360 ​​* n ( n =1,6). A antena do tipo espiral com pernas estendidas também fornece uma estrutura de micro-ponte altamente integrada com resposta rápida e uma maneira simplificada de processo altamente compatível de realizar a estrutura. Esta pesquisa demonstra o projeto de várias estruturas de micropontas acopladas a antenas do tipo espiral e fornece esquemas preferenciais para aplicações de dispositivos potenciais em sensoriamento de temperatura ambiente e geração de imagens em tempo real.

Histórico

Radiação Terahertz (THz) (0,1 ~ 10 THz, 1 THz =10 ¹² Hz), comprovado por ter características espectrais únicas de banda larga, penetração de baixa energia e absorção espectral [1, 2], é atraente por sua ampla variedade de aplicações em espectroscopia molecular [3], diagnóstico de doenças [4], detecção e imagem [5, 6]. No entanto, esta faixa de frequência não foi totalmente explorada até o momento, restrita pela escassez de fontes e detectores sintonizados com THz. Nos últimos 20 anos, os desenvolvimentos de eletrônicos ultrarrápidos, tecnologia de laser e tecnologia de semicondutores de baixa escala forneceram meios eficazes para a emissão e detecção de ondas THz. Lasers em cascata quântica (QCL) podem irradiar emissão de linha em frequências sintonizáveis ​​[7, 8] enquanto infravermelho distante CO ₂ laser de gás que emite onda de 2,52 THz fornece potência radiante muito maior [9]. Atualmente, os detectores de THz são baseados principalmente em dois tipos de efeitos que podem medir diretamente os sinais de THz:efeito de fóton e efeito fototérmico. O detector de fótons funciona com base no efeito fotoelétrico da radiação THz absorvida, incluindo junção de túnel supercondutor-isolador-supercondutor (SIS) [10] e detectores de poço quântico (QW) trabalhando em modo fotocondutor ou fotovoltaico [11,12,13,14] . Os detectores de fótons têm alta sensibilidade e tempo de resposta curto, mas são seletivos no comprimento de onda e geralmente requerem refrigeração. Detectores fototérmicos, como detectores piroelétricos à temperatura ambiente [15] e microbolômetros [8, 9], absorvem a energia da radiação THz e a convertem em resistividade ou mudanças espontâneas de polarização dos filmes termossensíveis. Um detector de microbolômetro pode ser operado em temperatura ambiente com uma ampla resposta de comprimento de onda e tem grandes vantagens na integração da matriz e custo em comparação com detectores piroelétricos. O desenvolvimento do detector de microbolômetro THz se beneficia da tecnologia de microbolômetro infravermelho (IR) maduro com o mesmo mecanismo de conversão térmica. Mais recentemente, pesquisas teóricas e verificação experimental de sistemas de detecção e imagem THz foram relatados com base em matrizes de plano focal de microbolômetro infravermelho (FPA) equipadas com fontes de iluminação adequadas [7, 16]. No entanto, esses detectores de infravermelho com estruturas de micro-ponte tradicionais têm uma baixa sensibilidade na faixa THz devido à má absorção da radiação THz [17].

Algumas melhorias foram feitas para aumentar a absorção de THz da estrutura de microponte do microbolômetro tradicional. Filme fino de metal de combinação de impedância, comprovado para absorver onda THz devido à perda resistiva, é a primeira escolha como uma camada absorvente em estruturas de micro-ponte por sua baixa capacidade de calor, alta condutividade térmica e boa compatibilidade com o processo de fabricação de micro-THz bolômetros [18, 19]. A absorção da película fina de metal pode ser melhorada pelo controle do processo de preparação e modificação da superfície [20]. No entanto, o efeito de absorção de um único filme fino de metal é limitado com uma taxa de absorção ideal de 50% [21]. Absorvedor de metamaterial e antena sintonizada na frequência do iluminador podem ser integrados em bolômetros para alta absorção devido à perda ôhmica e perda dielétrica na estrutura [22, 23]. A estrutura de micropontagem acoplada à antena é comprovadamente uma forma mais eficaz de alcançar alta absorção e sensibilidade para sua melhor compatibilidade em integração com microbolômetros. A antena fornece alta absorção de onda THz, enquanto a estrutura de micro-ponte garante detecção térmica de alto desempenho. Óxido de vanádio acoplado a antena (VO _x ) bolômetro de filme fino trabalhando a 94 GHz [24] e microbolômetro FET de óxido metálico acoplado a antena (MOSFET) sensível para 0,5 ~ 1,5 THz [25, 26]. A imagem em tempo real a 2,5 THz foi desenvolvida pelo CEA-Leti usando micro-bolômetros FPAs acoplados a antena com um QCL como fonte de radiação THz [27]. Na maioria dos casos, estruturas de antenas planas são adotadas para uma grande área de absorção e processo de fabricação simples. No entanto, antenas de fio com um menor volume em massa são preferíveis às antenas planas para uma taxa de aquecimento mais rápida, o que leva a um menor tempo de resposta térmica [28].

Em nossa pesquisa anterior [29], a antena de fio do tipo espiral foi introduzida em uma estrutura de microponte de microbolômetro de 35 μm × 35 μm, e um novo tipo de antena em espiral com pernas estendidas foi apresentado preliminarmente para melhorar a absorção da onda de 2,52 THz . No entanto, o design otimizado da estrutura da antena e as discussões detalhadas sobre suas características de absorção de THz, efeito fototérmico e processo de fabricação não foram alcançados. Neste artigo, com base na estrutura de micro-ponte com um tamanho muito menor de 25 μm × 25 μm, três tipos de antenas do tipo espiral são propostas para aumento de absorção de THz e modulação de frequência de absorção com uma única antena linear separada, duas antenas lineares separadas , ou duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte, além da tradicional antena tipo espiral na camada de suporte. Por otimização de parâmetros estruturais e análise de característica de absorção para cada tipo de antena, esquemas preferenciais de estruturas de micro-ponte acoplada a antena são obtidos para pico de absorção amplo próximo a 2,52 THz ou absorção estável a 2,52 THz com alta integração, processo de fabricação simplificado e taxa de aquecimento rápida.

Resultados e discussão

As antenas do tipo espiral foram projetadas para aumento de absorção e modulação de FPAs de microbolômetro THz com base em estruturas de microponte com uma frequência alvo de 2,52 THz. Um único pixel nos FPAs com espaçamento de pixel de 25 μm, mostrado na Fig. 1a, é composto por uma área central sensível com um tamanho de cerca de 20 μm × 20 μm e duas pernas longas que suportam a área sensível. A área sensível consiste em filmes multicamadas, incluindo uma camada de suporte feita de nitreto de silício de 0,4 μm (Si ₃ N ₄ ) filme, camada termossensível (VO _x filme fino) com espessura de 70 nm e antena do tipo espiral atuando como camada de absorção de THz feita de filme fino de alumínio (Al) de 0,05 μm. Um filme fino de níquel-cromo (NiCr) com espessura de 0,2 μm é colocado abaixo da área sensível como uma camada de reflexão para formar uma cavidade ressonante de 2 μm de altura para absorção otimizada de radiação IR e isolamento térmico da radiação THz. A estrutura da antena em espiral está localizada no Si ₃ N ₄ camada de suporte e limitada com um diâmetro externo de 18 μm. Visando a limitação do tamanho da camada de suporte, além da antena tradicional do tipo espiral na camada de suporte mostrada na Fig. 1b, novas estruturas de micropontas acopladas à antena do tipo espiral são propostas. Antenas lineares são introduzidas e integradas nas pernas da ponte, o que resulta em áreas aumentadas das antenas do tipo espiral originais na camada de suporte. A Figura 1c-e mostra antenas do tipo espiral com uma única antena linear separada, duas antenas lineares separadas e duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte, respectivamente.

Projeto de estruturas de micro-ponte tipo espiral acopladas a antena. a Modelo de estrutura de micro-ponte. b Antena tipo espiral na camada de suporte. c Antena tipo espiral com uma única antena linear separada em uma das pernas da ponte. d Antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas nas pernas da ponte. e Antena tipo espiral com duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte. f Direções de campo elétrico e campo magnético para luz incidente vertical

Antena tipo espiral na camada de suporte

A estrutura tradicional de micro-ponte acoplada a antena tipo espiral, mostrada na Fig. 1b, foi estudada pela primeira vez com a antena na camada de suporte. Os parâmetros estruturais (indicados na Fig. 1b) da antena tipo espiral foram otimizados, e a influência de cada parâmetro nas características de absorção de THz foi discutida.

Para antena tipo espiral na camada de suporte com uma largura de linha de antena de 1 μm e um ângulo de rotação (o ângulo de rotação começando no centro da antena) de 360 ​​* n ( n mudanças em 0,5 ~ 2,0), as variações da posição do pico de absorção e a taxa de absorção do pico de estruturas de micro-ponte acoplada a antena com n são mostrados na Fig. 2a, b, respectivamente.

Curvas de variação da posição do pico de absorção ( a ) e taxa de absorção de pico ( b ) e curvas de absorção de onda THz ( c ) de estruturas de micro-pontes com diferentes ângulos de rotação (360 * n ) de antenas tipo espiral na camada de suporte

Pode ser visto na Fig. 2a, b que a frequência de absorção de pico e a taxa de absorção de pico diminuem quando n aumenta de 0,5 para 0,9. A taxa de absorção de pico diminui para 65% em 4,1 THz quando n =0,9 e então aumenta para 90% a 3,5 THz quando n =1. Quando n =1 ~ 1,5, a frequência de absorção de pico e a taxa de absorção de pico continuam a diminuir com o aumento do ângulo de rotação. A frequência de absorção de pico diminui para 2,64 THz quando n =1,5; no entanto, a taxa de absorção de pico diminui para 22,8%. Uma absorção de 30% é obtida a 2,53 THz quando n =1,6. A frequência mínima de absorção de pico ocorre em 2,39 THz quando n =1,7 e então a frequência de absorção aumenta para 4,45 THz quando n =1,8. Quando n =1,8 ~ 2, a frequência de absorção de pico diminui novamente enquanto a taxa de absorção de pico aumenta com o aumento do ângulo de rotação. A Figura 2a sugere que a frequência de absorção continua diminuindo com o aumento do ângulo de rotação em várias faixas diferentes, incluindo n =0,5 ~ 1, n =1,1 ~ 1,7 e n =1,8 ~ 2. A taxa de absorção de pico também continua diminuindo quando n =0,5 ~ 0,9, n =1 ~ 1,5 e n =1,6 ~ 1,7. Antenas com ângulos de rotação maiores (360 * n ) quando n > 2 não são considerados devido à limitação de tamanho da camada de suporte. As curvas de absorção da onda THz de estruturas de micro-ponte são mostradas na Fig. 2c com diferentes ângulos de rotação (360 * n , n =1,1 ~ 1,7) de antenas do tipo espiral na camada de suporte. Cada curva de absorção tem vários picos de absorção ao longo do eixo de frequência, e o pico de absorção na frequência mais baixa é usado para representar graficamente a Fig. 2a, b visando a absorção otimizada da onda de 2,52 THz irradiada por infravermelho distante de alta potência CO ₂ laser a gás. A Figura 2 indica que um pico de absorção é obtido próximo a 2,52 THz quando n =1,6 com uma baixa taxa de absorção de 30%.

A Figura 3a, b mostra curvas de absorção de onda THz de estruturas de micro-ponte com antena tipo espiral na camada de suporte quando n =1.6 com largura de linha diferente ( w ) e espaçamento ( g ), respectivamente. Pode-se observar que a frequência de pico de absorção diminui significativamente, enquanto a taxa de absorção de pico aumenta lentamente com o aumento da largura e do espaçamento da linha. Uma conclusão semelhante é obtida quando n =1,1. Os aumentos na largura e no espaçamento da linha levam a um tamanho maior da antena. Parece que o aumento da área da antena é propício para reduzir a frequência de absorção, mas não contribui muito para a taxa de absorção.

Curvas de absorção de onda THz de estruturas de micro-ponte com antena tipo espiral na camada de suporte quando n =1.6 com largura de linha diferente ( a ) e espaçamentos diferentes ( b )

Uma absorção mais pobre perto de 2,52 THz é obtida para estrutura de micro ponte acoplada a antena tipo espiral com um tamanho de pixel de 25 μm × 25 μm devido a um tamanho de pixel menor em comparação com a estrutura de pixel de 35 μm × 35 μm relatada em [29] que fornece uma maior taxa de absorção de 45% a 2,77 THz quando n =1,1 e 46% a 2,99 THz quando n =2,1. Como concluímos anteriormente, aumentar a área da antena é uma forma eficaz de modulação da frequência de absorção, mas é limitada pelo tamanho da camada de suporte e se torna mais severa para pixels de 25 μm × 25 μm.

Antena tipo espiral com uma única antena linear separada em uma das pernas da ponte

As pernas da estrutura de micro-ponte desempenham as funções de suporte mecânico e canais elétricos e térmicos. Longas pernas da ponte podem fornecer baixa condutividade térmica e melhorar o desempenho do isolamento térmico da estrutura da micro-ponte. No entanto, também reduz o tamanho efetivo da área sensível, limitando o tamanho da película ou estruturas absorventes. Para atingir alta taxa de absorção em frequência mais baixa, antenas lineares são introduzidas nas pernas da ponte para aumentar a área das antenas. A Figura 1c mostra uma antena do tipo espiral com uma única antena linear separada em uma das pernas da ponte.

Nossa pesquisa indicou que a porta da antena linear na perna da ponte próxima ao lado da área sensível teve um forte efeito de absorção de acoplamento. Portanto, definimos o ângulo de rotação para 360 * n ( n =1.1 e n =1,6), a largura da linha da antena para 1 μm e o espaçamento para 2,5 μm ( n =1,1) e 1,4 μm ( n =1,6) e ajustou a distância ( i , indicada na Fig. 1c com um desenho parcialmente ampliado) entre a porta da antena na perna da ponte e a conexão entre a perna da ponte e a área sensível. Curvas de absorção de onda THz de estruturas de microponte acopladas a antena tipo espiral com uma única antena linear separada em uma das pernas da ponte para diferentes posições de antena linear quando n =1.1 e n =1,6 são mostrados na Fig. 4a, b, respectivamente.

Curvas de absorção de onda THz de estruturas de microponte acopladas a antena do tipo espiral com uma única antena linear separada em uma das pernas da ponte quando n =1,1 ( a ) e n =1,6 ( b ) para diferentes posições de antena linear

Conforme mostrado na Fig. 4a, um novo pico de absorção aparece em frequência mais baixa quando a antena na perna da ponte é introduzida, além do pico de absorção original próximo a 3,5 THz. Conforme a porta da antena na perna da ponte se aproxima da área sensível ( i muda de - 2,5 a 2 μm), a absorção na freqüência mais alta permanece aproximadamente a mesma, enquanto a taxa de absorção de pico e a freqüência de absorção diminuem na freqüência mais baixa. Fica claro que a antena na perna da ponte contribui para a absorção na frequência mais baixa. As curvas de absorção de antenas do tipo espiral com uma única antena linear separada quando n =1,6, mostrado na Fig. 4b, indica um pico de absorção amplo próximo a 2,52 THz. Isso ocorre porque os picos de absorção da antena do tipo espiral na camada de suporte e da antena na perna da ponte ocorrem na posição fechada. Como eu muda de - 2,5 a - 1 μm, os dois picos de absorção ficam próximos um do outro e ampliam a banda de absorção. Uma ampla absorção de mais de 40% pode ser obtida em uma largura de banda de 0,4 THz quando i =- 1,5 e um único pico de absorção amplo é alcançado com uma largura de meio pico de 0,3 THz quando i =- 1.

Antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas nas pernas da ponte

Para antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas, mostrado na Fig. 1d, curvas de absorção de onda THz de estruturas de micro ponte acopladas a antena tipo espiral para diferentes posições de antena linear quando n =1.1 e n =1,6, com as mesmas configurações de outros parâmetros de estrutura, incluindo largura de linha e espaçamento, são mostrados na Fig. 5a, b, respectivamente. As variações de absorção de THz têm a mesma tendência em geral que a antena do tipo espiral com uma única antena linear separada mostrada na Fig. 4. As duas pernas da estrutura de micro-ponte são usadas para preparar antenas, então a área da antena é ainda mais ampliado. Isso resulta em uma taxa de absorção muito maior (mais de 90%) em frequência mais baixa quando n =1,1 como mostrado na Fig. 5a em comparação com a antena do tipo espiral com uma única antena linear separada. A introdução de antenas nas pernas da ponte também aumenta a absorção na frequência original mais alta. Picos de absorção amplos também são obtidos na Fig. 5b quando n =1,6 e as absorções são aumentadas significativamente. Pode-se concluir que a antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas nas pernas da ponte quando n =1,6 é mais adequado para ser usado em FPAs de microbolômetro THz com base em estruturas de microponte devido à sua maior absorção em banda mais larga.

Curvas de absorção de onda THz de estruturas de microponte acopladas a antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas nas pernas da ponte quando n =1,1 ( a ) e n =1,6 ( b ) para diferentes posições de antena linear

A Figura 6 mostra os diagramas de densidade de energia do campo elétrico e do campo magnético para os três tipos de estruturas de micro-ponte acopladas a antena do tipo espiral projetadas anteriormente. Pode ser visto na Fig. 6a, b que para a antena do tipo espiral na camada de suporte, a absorção da energia do campo elétrico ocorre principalmente no centro e em ambas as extremidades da antena do tipo espiral, enquanto a linha da antena contribui com a maior parte da absorção de energia do campo magnético, o que está de acordo com nossos estudos anteriores relatados em [29]. A Figura 6c, d mostra que um forte efeito de absorção de acoplamento de energia do campo elétrico ocorre na porta da única antena linear separada na perna da ponte perto do lado da área sensível, e a antena na perna também contribui para a absorção da energia do campo magnético . Fenômenos semelhantes podem ser observados para a antena do tipo espiral com duas antenas lineares separadas nas pernas da ponte, conforme mostrado na Fig. 6e, f. A absorção da energia do campo elétrico e da energia do campo magnético é aumentada na área de absorção e intensificada na intensidade de absorção devido ao aumento da área da antena. A Figura 6g, h mostra a distribuição de perda de potência na estrutura da microponte acoplada à antena do tipo espiral com duas antenas lineares separadas nas pernas da ponte quando n =1.6 e i =- 2 da vista superior e vista lateral, respectivamente. Pode ser visto claramente na Fig. 6h que a perda de potência está confinada quase inteiramente na área central sensível, o que é propício para causar aumento de temperatura de VO _x termossensível filme fino integrado na área central sensível. A perda de potência induzida pela antena do tipo espiral central ocorre principalmente na camada da antena, enquanto a maior parte da perda causada por antenas lineares separadas nas pernas da ponte ocorre no Si ₃ N ₄ camada de suporte. Isso significa que o pico de absorção em frequência mais alta na Fig. 5a é causado pela perda ôhmica da antena do tipo espiral central, enquanto o pico de absorção em frequência mais baixa é atribuído a antenas lineares separadas nas pernas da ponte devido à perda dielétrica, que contribui para formar um pico de absorção amplo, como mostrado na Fig. 5b. Com base nos coeficientes de transmissão e reflexão ( S parâmetros) da estrutura, os dados de espalhamento podem ser invertidos para determinar o índice de refração ( n ) e impedância ( z ), a partir do qual valores autoconsistentes para permissividade efetiva ( ε ) e permeabilidade ( μ ) pode ser obtido [30]. A Figura 7a, b mostra as partes reais e imaginárias de permeabilidade e permissividade efetiva em função da frequência para a estrutura de microponte acoplada com antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas quando n =1.6 e i =- 2, respectivamente. Pode ser visto na Fig. 7 que as ressonâncias óbvias ocorrem em torno de 2,52 THz, que induzem a perda de radiação THz e os dois picos de absorção como mostrado na Fig. 5b.

Distribuição da densidade de energia do campo elétrico, densidade da energia do campo magnético e perda de potência. Diagramas de densidade de energia do campo elétrico ( a ) e campo magnético ( b ) para antena tipo espiral na camada de suporte quando n =1,6; diagramas de densidade de energia do campo elétrico ( c ) e campo magnético ( d ) para antena tipo espiral com uma única antena linear separada quando n =1.6 e i =- 2; diagramas de densidade de energia do campo elétrico ( e ) e campo magnético ( f ) para antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas quando n =1.6 e i =- 2; distribuição de perda de potência na estrutura de micro-ponte acoplada com antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas quando n =1.6 e i =- 2 da vista superior ( g ) e vista lateral ( h )

Partes reais e imaginárias de permeabilidade efetiva ( a ) e permissividade ( b ) em função da frequência para estrutura de microponte acoplada a antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas quando n =1.6 e i =- 2

Antena tipo espiral com duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte

Outro tipo de antena do tipo espiral, mostrado na Fig. 1e, foi proposta com duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte. A Figura 8 mostra curvas de absorção de onda THz de estruturas de micro-ponte acopladas a antena tipo espiral quando n =1,6, g (espaçamento) =1,4 μm para diferentes larguras de linha ( f ) Dois picos de absorção aparentes são observados na Fig. 8. A posição de absorção de pico move-se lentamente para diminuir a frequência com o aumento da largura da linha da antena, enquanto a taxa de absorção de pico muda pouco. Uma absorção de cerca de 70% é obtida a 2,52 THz quando f =1 μm, e a taxa de absorção de cada curva em 2,52 THz quando f =0,8 ~ 1,1 μm está acima de 50%. Isso indica que a diferença de largura da linha da antena que pode ser causada pelo processo de fabricação tem pouca influência na absorção de THz, o que é propício para o projeto de estruturas de micro-ponte acopladas a antena do tipo espiral e reduz a dificuldade de fabricação e realização das estruturas projetadas para maior redundância é permitido.

Curvas de absorção de onda THz de estruturas de micro-ponte tipo espiral acopladas a antena com duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte para diferentes larguras de linha ( f )

A Figura 9 mostra os diagramas de densidade de energia do campo elétrico e do campo magnético para a antena do tipo espiral com duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte quando a largura da linha é 1 μm. A área de absorção de energia do campo elétrico, mostrada na Fig. 9a, ocorre principalmente na área sensível e na área de conexão entre as pernas da ponte e a área sensível. A absorção da energia do campo magnético, mostrada na Fig. 9b, é atribuída principalmente à contribuição da antena na camada de suporte. A maior parte da absorção ocorre na camada de suporte e pode ser transformada em aumento de temperatura do VO _x filme fino.

Diagramas de densidade de energia do campo elétrico ( a ) e campo magnético ( b ) para estruturas de micro ponte acopladas a antena tipo espiral com duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte e uma largura de linha de 1 μm

O projeto da antena tipo espiral com duas antenas lineares separadas ou duas antenas lineares conectadas nas pernas da ponte, mostrado na Fig. 1d, e, é uma boa solução para alta taxa de absorção em baixa frequência de absorção de 2,52 THz quando o ângulo de rotação é definido para 360 * n ( n =1,6). A antena do tipo espiral com duas antenas lineares separadas fornece amplo pico de absorção próximo a 2,52 THz, enquanto a antena do tipo espiral com duas antenas lineares conectadas tem um pico de absorção relativamente estável com a mudança da largura da linha da antena. Outra vantagem da antena do tipo espiral com duas antenas lineares conectadas é que a antena pode atuar como cabo do eletrodo para alta integração e simplificação do processo, uma vez que a antena e a camada do cabo do eletrodo podem ser fabricadas por um processo de fotolitografia e padrão de etapa única. Isso fornece uma estrutura de micro ponte acoplada a antena tipo espiral altamente integrada com alta absorção a 2,52 THz e uma maneira simplificada de processo altamente compatível de realizar a estrutura.

Para detector THz com estrutura de micro ponte acoplada a antena, o tempo de resposta térmica ( τ ) depende de sua condutância térmica efetiva ( G _eff ) e capacidade total de calor ( C _tot ) via τ = C _tot / G _eff . G _eff é definido via G _eff = G _perna - αV _preconceito eu ₀ , onde α é o coeficiente de temperatura da corrente e V _preconceito e eu ₀ são a tensão de polarização e a corrente do detector [31], respectivamente. G _perna =2 σ _th A / l é a condutância térmica das pernas da ponte, onde σ _th é a condutividade térmica da perna e A e l são a área da seção transversal e o comprimento das pernas da ponte, respectivamente. É multiplicado por 2 porque existem duas pernas. Para uma estrutura de micro-ponte definitiva, a condução de calor das pernas da ponte é fixa; G _eff também seria corrigido [32]. τ será determinado por C _tot , que é a capacidade de calor total da estrutura da antena e da microponte, incluindo a carga tal que C _tot = C _formiga + C _ponte . A capacidade de calor da antena é definida via C _formiga = c _formiga ρ _formiga V _formiga , onde c _formiga é o calor específico da antena, ρ _formiga é a densidade de massa da antena e V _formiga é o volume da antena. C _ponte é definido de maneira semelhante a C _formiga . Pode-se concluir que C _tot é restrito principalmente pelo volume da antena ( V _formiga ) para um material de antena definido em uma estrutura de micro-ponte fixa. É por isso que esperamos reduzir o volume da antena usando antenas lineares em vez de antenas planas para obter um menor tempo de resposta térmica. Para a estrutura de micro-ponte acoplada à antena projetada neste artigo com uma única camada de metal atuando como a camada de chumbo da antena e do eletrodo, a capacidade de calor total é ainda mais reduzida para C _tot ≈ C _ponte . Assumindo que a área sensível central de uma estrutura de micro-ponte consiste em Si ₃ N ₄ filme com um tamanho de cerca de 20 μm × 20 μm e uma espessura de 0,4 μm, e a camada da antena é feita de filme fino de Al com uma espessura de 0,05 μm e cobre 1/3 da área sensível, a capacidade de calor de Si ₃ N ₄ filme e a antena de Al podem ser calculados desde a capacidade de calor específico e densidade de massa de PECVD Si ₃ N ₄ filme são 0,17 J / (g * K) e 2500 Kg / m ³ , enquanto os da película fina de Al são 0,91 J / (g * K) e 2700 Kg / m ³ , respectivamente. Os resultados sugerem que para a estrutura de microponte acoplada à antena com uma única antena e camada de eletrodo de chumbo, a capacidade total de calor pode ser reduzida para 83,7% da estrutura de microponte tradicional com duas camadas de metal atuando como a antena e o eletrodo de chumbo. camada separadamente, e o tempo de resposta térmica pode ser reduzido em 16,3% sob a mesma condutividade térmica da estrutura de micro-ponte. This provides the potentiality of applications in high-performance THz micro-bolometer detectors with fast response.

Conclusões

In this paper, we have carried out the design, simulation, and optimization of four kinds of spiral-type antenna-coupled micro-bolometers for THz applications in sensing and imaging. Compared to traditional spiral-type antenna on the support layer of micro-bridge structure, antennas are proposed with a single separate linear antenna, two separate linear antennas, or two connected linear antennas on the bridge legs. The structural parameters of spiral-type antenna are optimized and the influence of each parameter on absorption characteristics is discussed. The antenna area is enlarged and the absorption frequency is decreased due to the introduction of linear antennas on bridge legs. The spiral-type antenna with two separate linear antennas provides wide absorption peak near 2.52 THz, while the spiral-type antenna with two connected linear antennas has a relatively stable absorption peak with the changing of the antenna line width and provides possibility for high integration and process simplification of the micro-bridge structure. This paper presents the applications of spiral-type antennas in THz detector based on micro-bridge structure and discusses their advantages in THz absorption enhancement, absorption frequency modulation, response time improvement, and manufacturing process simplification.

Métodos

We performed finite-element numerical simulations using CST Microwave Studio 2016. We simulated a single cubic unit cell with a unit size of 25 μm × 25 μm as shown in Fig. 1f, with the antenna-coupled micro-bridge structure located at the center. The wave vector k propagated through the z direction with perfect electric field in x -z plane and perfect magnetic field in y -z avião. We set the input and output ports on the top and bottom faces of the cubic unit cell in the vacuum which are indicated as port “1” and port “2” in Fig. 1f, respectively. The simulation produced the frequency-dependent complex S parameters, from which we obtained the reflectance R =| S ₁₁ | ² at port “1” and transmittance T =| S ₂₁ | ² at port “2” with periodic boundary conditions (PBC) along the \( \widehat{x} \) and \( \widehat{y} \) directions. The absorptions of the antenna-coupled micro-bridge structures were calculated via A  = 1 − |S ₂₁ | ²  − |S ₁₁ | ² . For the spiral-type antenna-coupled micro-bridge structures proposed in Fig. 1a–e, the Al and NiCr thin films were modeled as lossy metal with the default conductivity σ _Al  = 3.56 × 10 ⁷  S/m and σ _NiCr  = 1 × 10 ⁷ S / m. Si₃ N ₄ thin film was modeled as optical silicon nitride film with a dispersion permittivity ε _Si3N4 of 2nd order model (fit) in CST and a permeability of 1. The resonant cavity was treated with ε _vacuum  = 1 and σ _vacuum  = 0 S/m.

Abreviações

FET:

Field effect transistors

FPA:

Focal plane array

IR:

Infravermelho

MOSFET:

Metal-oxide-semiconductor FET

NiCr:

Nickel–chromium

PBC:

Periodic boundary conditions

QCL:

Quantum cascade lasers

QW:

Quantum well

Si₃ N ₄ :

Silicon nitride

SIS:

Superconductor–insulator–superconductor tunnel junction

THz:

Terahertz

VO_x :

Vanadium oxide

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