螺旋型天线微桥结构太赫兹微测辐射热计的调频和吸收改进

背景

太赫兹 (THz) 辐射 (0.1~10 THz, 1 THz =10 ¹² Hz)，被证明具有独特的宽带、低能量穿透和光谱吸收的光谱特性 [1, 2]，因其在分子光谱 [3]、疾病诊断 [4]、传感和成像中的广泛应用而具有吸引力[5, 6]。然而，由于缺乏太赫兹调谐源和探测器，该频率范围迄今尚未得到充分利用。近 20 年来，超快电子学、激光技术和低尺度半导体技术的发展为太赫兹波的发射和探测提供了有效途径。量子级联激光器 (QCL) 可以以可调频率发射线发射 [7, 8]，而发射 2.52 THz 波的远红外 CO2 气体激光器提供更高的辐射功率 [9]。目前，太赫兹探测器主要基于两种可以直接测量太赫兹信号的效应：光子效应和光热效应。光子探测器基于吸收的太赫兹辐射的光电效应工作，包括超导体-绝缘体-超导体隧道结 (SIS) [10] 和在光电导或光伏模式下工作的量子阱 (QW) 探测器 [11,12,13,14] .光子探测器具有高灵敏度和短响应时间，但它们在波长上有选择性并且通常需要冷藏。光热探测器，如室温热释电探测器 [15] 和微测辐射热计 [8, 9]，吸收太赫兹辐射的能量并将其转换为热敏薄膜的电阻率或自发极化变化。微测辐射热计探测器可以在室温下工作，具有较宽的波长响应，与热释电探测器相比，在阵列集成和成本方面具有很大优势。太赫兹微测辐射热计探测器的发展得益于成熟的红外（IR）微测辐射热计技术，具有相同的热转换机制。最近，基于配备适当照明源的红外微测辐射热计焦平面阵列 (FPA)，已经报道了太赫兹传感和成像系统的理论研究和实验验证 [7, 16]。然而，这种具有传统微桥结构的红外探测器由于对太赫兹辐射的吸收较差，在太赫兹范围内的灵敏度较低[17]。

针对传统微测辐射热计微桥结构增强太赫兹吸收做了一些改进。阻抗匹配金属薄膜由于电阻损耗而被证明可以吸收太赫兹波，由于其低热容量、高热导率以及与太赫兹微电子制造工艺的良好兼容性，成为微桥结构中吸收层的首选。辐射热计 [18, 19]。通过制备过程控制和表面改性可以进一步提高金属薄膜的吸收[20]。然而，单一金属薄膜的吸收效果有限，理想的吸收率为 50%[21]。由于结构中的欧姆损耗和介电损耗，调谐到照明器频率的超材料吸收器和天线可以集成在辐射热计中以实现高吸收 [22, 23]。天线耦合微桥结构与微测辐射热计的集成具有更好的兼容性，被证明是实现高吸收和灵敏度的更有效方法。天线提供了对太赫兹波的高吸收，而微桥结构确保了高性能的热检测。据报道，工作在 94 GHz [24] 的天线耦合氧化钒 (VOx) 薄膜辐射热计和对 0.5~1.5 THz 敏感的天线耦合金属氧化物半导体 FET (MOSFET) 微辐射热计 [25, 26]。 CEA-Leti 使用天线耦合微测辐射热计 FPA 和 QCL 作为太赫兹辐射源开发了 2.5 THz 的实时成像 [27]。大多数情况下采用平面天线结构，吸收面积大，制作工艺简单。然而，体积更小的线状天线比平面天线更可取，因为它具有更快的加热速率，从而导致更低的热响应时间[28]。

在我们早期的研究[29]中，在35μm × 35μm微测辐射热计微桥结构中引入了螺旋线天线，并初步提出了一种新型加长腿螺旋天线，以提高对2.52 THz波的吸收.然而，天线结构的优化设计及其太赫兹吸收特性、光热效应和制造工艺的详细讨论尚未实现。在本文中，基于25μm × 25μm的更小尺寸的微桥结构，提出了三种螺旋型天线用于THz吸收增强和吸收频率调制，单个分离线性天线，两个分离线性天线，或桥腿上连接的两个线性天线，以及支撑层上的传统螺旋型天线。通过对各类天线的结构参数优化和吸收特性分析，得到2.52 THz附近吸收峰宽或2.52 THz吸收稳定、集成度高、制作工艺简单的天线耦合微桥结构的优选方案。升温速度快。

结果与讨论

螺旋型天线设计用于基于目标频率为 2.52 THz 的微桥结构的 THz 微测辐射热计 FPA 的吸收增强和调制。 FPA 中像素间距为 25μm 的单个像素，如图 1a 所示，由大小约为 20μm × 20μm 的中心敏感区域和支撑敏感区域的两条长腿组成。敏感区由多层薄膜组成，包括由 0.4 μm 氮化硅 (Si3N4) 薄膜制成的支撑层、厚度为 70 nm 的热敏层（VOx 薄膜）和用作 THz 吸收层的螺旋型天线，由 0.05 μm 铝 (Al) 薄膜。将厚度为 0.2 μm 的镍铬 (NiCr) 薄膜放置在敏感区域下方作为反射层，以形成 2 μm 高的谐振腔，以优化对红外辐射的吸收和对太赫兹辐射的热隔离。螺旋型天线结构位于 Si3N4 支撑层上，外径限制为 18 μm。针对支撑层的尺寸限制，除了图1b所示的支撑层上的传统螺旋型天线外，还提出了新颖的螺旋型天线耦合微桥结构。在桥腿上引入并集成了线性天线，从而增加了支撑层上原有螺旋型天线的面积。图 1c-e 显示了螺旋型天线，分别在桥腿上具有一个单独的线性天线、两个单独的线性天线和两个连接的线性天线。

螺旋型天线耦合微桥结构的设计。 一 微桥结构模型。 b 支撑层上的螺旋型天线。 c 螺旋型天线，在其中一个桥腿上有一个单独的线性天线。 d 螺旋型天线，桥腿上有两个独立的线性天线。 e 螺旋型天线，桥腿上有两个连接的线性天线。 f 垂直入射光的电场和磁场方向

支撑层螺旋型天线

传统的螺旋型天线耦合微桥结构，如图 1b 所示，首先在支撑层上研究了天线。优化了螺旋型天线的结构参数（如图1b所示），讨论了各参数对太赫兹吸收特性的影响。

对于支撑层上的螺旋型天线，天线线宽为1μm，旋转角度（从天线中心开始的旋转角度）为360*n (n 0.5~2.0),天线耦合微桥结构的吸收峰位置和吸收峰吸收率随n的变化 分别如图 2a、b 所示。

吸收峰位置变化曲线(a ) 和峰值吸收率 (b ) 和太赫兹波吸收曲线 (c ) 不同旋转角度的微桥结构 (360*n ) 支撑层上的螺旋型天线

从图 2a、b 可以看出，当 n 时，峰值吸收频率和峰值吸收率降低 从 0.5 增加到 0.9。当 n 时，峰值吸收率在 4.1 THz 处降至 65% =0.9 然后当 n 时在 3.5 THz 时增加到 90% =1. 当 n =1~1.5，随着旋转角度的增加，峰值吸收频率和峰值吸收率继续降低。当 n 时，峰值吸收频率降低到 2.64 THz =1.5；然而，峰值吸收率下降到 22.8%。当 n 时，在 2.53 THz 处获得 30% 的吸收 =1.6。当 n 时，最小峰值吸收​​频率出现在 2.39 THz =1.7，然后当 n 时吸收频率增加到 4.45 THz =1.8。当 n =1.8~2，随着旋转角度的增加，峰值吸收频率再次降低，而峰值吸收率增加。图 2a 表明在包括 n 的几个不同范围内，吸收频率随着旋转角度的增加而不断降低 =0.5~1, n =1.1~1.7，并且 n =1.8~2。当 n 时，峰值吸收率也不断下降 =0.5~0.9, n =1~1.5，n =1.6~1.7。具有更大旋转角度的天线 (360*n ) 当 n 由于支撑层的尺寸限制，> 2 不被考虑。微桥结构的太赫兹波吸收曲线如图 2c 所示，不同旋转角度（360*n , n =1.1~1.7) 支撑层上的螺旋型天线。每条吸收曲线沿频率轴具有多个吸收峰，最低频率处的吸收峰用于绘制图 2a、b，旨在优化高功率远红外 CO2 气体激光器辐射的 2.52 THz 波的吸收。图 2 表明当 n 时在 2.52 THz 附近获得吸收峰 =1.6，吸收率低至30%。

图3a、b为支撑层螺旋型天线微桥结构在n时的太赫兹波吸收曲线 =1.6 具有不同的线宽 (w ) 和间距 (g ）， 分别。可以看出，峰值吸收频率显着降低，而峰值吸收率随着线宽和间距的增加而缓慢增加。当 n 时得到类似的结论 =1.1。线宽和间距的增加导致天线尺寸的增加。似乎天线面积的增加有利于降低吸收频率，但对吸收率的贡献不大。

n时支撑层螺旋型天线微桥结构的太赫兹波吸收曲线 =1.6 具有不同的线宽 (a ) 和不同的间距 (b )

由于与 [29] 中报道的 35 μm × 35 μm 像素结构相比，像素尺寸更小，因此像素尺寸为 25 μm × 25 μm 的螺旋型天线耦合微桥结构在 2.52 THz 附近获得了更差的吸收当 n 时，它在 2.77 THz 下提供了 45% 的更高吸收率 =1.1 和 46% 在 2.99 THz 当 n =2.1。如前所述，增加天线面积是吸收调频的有效途径，但受支撑层尺寸的限制，对于25μm × 25μm像素点更为严重。

在桥腿之一上具有单个单独线性天线的螺旋型天线

微桥结构的腿起到机械支撑和电热通道的作用。长桥腿可提供低导热性并增强微桥结构的绝热性能。然而，它也减小了敏感区域的有效尺寸，限制了吸收膜或结构的尺寸。为了在较低频率下实现高吸收率，在桥腿上引入了线性天线，以增加天线的面积。图 1c 显示了一个螺旋型天线，在其中一个桥腿上有一个单独的线性天线。

我们的研究表明，靠近敏感区一侧的桥腿上的线性天线端口具有很强的耦合吸收作用。所以我们将旋转角度设置为 360*n (n =1.1 和 n =1.6)，天线的线宽为 1 μm，间距为 2.5 μm (n =1.1) 和 1.4 μm (n =1.6) 并调整距离 (i ，如图 1c 部分放大图所示）在桥腿上的天线端口和桥腿与敏感区域之间的连接之间。当n时，不同线性天线位置在一根桥腿上有一个单独的线性天线的螺旋型天线耦合微桥结构的太赫兹波吸收曲线 =1.1 和 n =1.6 分别如图 4a、b 所示。

当n时，其中一根桥腿上有一个单独的线性天线的螺旋型天线耦合微桥结构的太赫兹波吸收曲线 =1.1 (a ) 和 n =1.6 (b ) 对于不同的线性天线位置

如图 4a 所示，除了在 3.5 THz 附近的原始吸收峰之外，当引入桥腿上的天线时，新的吸收峰出现在较低频率处。随着桥腿上的天线端口靠近敏感区域 (i 从− 2.5 到 2 μm)，高频处的吸收保持大致相同，而峰值吸收率和吸收频率在低频处减小。很明显，桥腿上的天线有助于较低频率的吸收。 n时单个分离线性天线的螺旋型天线的吸收曲线 =1.6，如图 4b 所示，表明在 2.52 THz 附近有一个宽吸收峰。这是因为支撑层上的螺旋型天线和桥腿上的天线的吸收峰出现在靠近位置。作为 i 从− 2.5 到− 1 μm，两个吸收峰相互靠近并加宽了吸收带。当 i 时，在 0.4 THz 的带宽内可以获得超过 40% 的宽吸收 =− 1.5，当 i 时，实现了一个宽吸收峰，半峰宽为 0.3 THz =− 1.

桥腿上带有两个独立线性天线的螺旋型天线

对于具有两个独立线性天线的螺旋型天线，如图1d所示，当n时，不同线性天线位置的螺旋型天线耦合微桥结构的太赫兹波吸收曲线 =1.1 和 n =1.6，其他结构参数包括线宽和间距的设置相同，分别如图5a，b所示。太赫兹吸收的变化总体上与图 4 所示的带有单个单独线性天线的螺旋型天线具有相同的趋势。微桥结构的两条腿都用于准备天线，因此面积天线的尺寸进一步扩大。当 n =1.1 如图 5a 所示，与具有单个单独线性天线的螺旋型天线相比。在桥腿上引入天线也增加了对原始较高频率的吸收。当 n 时，图 5b 中也获得了宽吸收峰 =1.6，吸收显着增强。当 n =1.6由于其在更宽波段的吸收更高，更适合用于基于微桥结构的太赫兹微测辐射热计FPA。

n时桥腿上有两个分离的线性天线的螺旋型天线耦合微桥结构的太赫兹波吸收曲线 =1.1 (a ) 和 n =1.6 (b ) 对于不同的线性天线位置

图6为之前设计的三种螺旋型天线耦合微桥结构的电场和磁场能量密度图。从图6a、b可以看出，对于支撑层上的螺旋型天线，电场能量的吸收主要发生在螺旋型天线的中心和两端，而天线线贡献了大部分吸收的磁场能量，这与我们在 [29] 中报道的早期研究一致。图6c、d表明在靠近敏感区一侧的桥腿上的单根分离线性天线的端口处发生了电场能量的强耦合吸收效应，并且腿上的天线也有助于吸收磁场能量.对于在桥腿上具有两个独立线性天线的螺旋型天线，可以观察到类似的现象，如图 6e、f 所示。由于天线面积扩大，电场能量和磁场能量的吸收在吸收面积上增加，吸收强度增强。图 6g、h 显示了当 n 时，微桥结构与桥腿上具有两个独立线性天线的螺旋型天线耦合的功率损耗分布 =1.6 和 i =− 2 分别来自顶视图和侧视图。从图 6h 可以清楚地看出，功率损耗几乎完全被限制在中心敏感区，这有利于导致集成在中心敏感区的热敏 VOx 薄膜的温升。中心螺旋型天线引起的功率损耗主要发生在天线层，而桥腿上单独的线性天线引起的大部分损耗发生在 Si3N4 支撑层。这意味着图 5a 中较高频率的吸收峰是由中央螺旋型天线的欧姆损耗引起的，而较低频率的吸收峰是由于介电损耗导致桥腿上单独的线性天线引起的，这有助于形成宽吸收峰，如图 5b 所示。基于透射系数和反射系数 (S 参数），散射数据可以被反转以确定折射率（n ) 和阻抗 (z )，从中得出有效介电常数的自洽值 (ε ) 和渗透率 (μ ) 可以得到 [30]。图 7a、b 显示了当 n 时，微桥结构与带有两个单独线性天线的螺旋型天线耦合的有效磁导率和介电常数的实部和虚部作为频率的函数 =1.6 和 i 分别为 =− 2。从图 7 可以看出，在 2.52 THz 附近发生了明显的共振，这导致了 THz 辐射的损失和两个吸收峰，如图 5b 所示。

电场能量密度、磁场能量密度和功率损耗的分布。电场能量密度图 (a ) 和磁场 (b ) 对于支撑层上的螺旋型天线，当 n =1.6;电场能量密度图 (c ) 和磁场 (d ) 对于带有单个单独线性天线的螺旋型天线，当 n =1.6 和 i =− 2；电场能量密度图 (e ) 和磁场 (f ) 对于带有两个独立线性天线的螺旋型天线，当 n =1.6 和 i =− 2；当n时，微桥结构与带有两个分离的线性天线的螺旋型天线耦合的功率损耗分布 =1.6 和 i =− 2 从顶视图 (g ) 和侧视图 (h )

有效渗透率的实部和虚部 (a ) 和介电常数 (b ) 作为与带有两个单独线性天线的螺旋型天线耦合的微桥结构的频率函数，当 n =1.6 和 i =− 2

桥腿上有两个连接的线性天线的螺旋型天线

另一种螺旋型天线，如图 1e 所示，在桥腿上有两个连接的线性天线。图8为当n时螺旋型天线耦合微桥结构的太赫兹波吸收曲线 =1.6, g (间距) =1.4 μm 对于不同的线宽 (f ）。图8中观察到两个明显的吸收峰，随着天线线宽的增加，吸收峰的位置缓慢向低频移动，而吸收峰的吸收率变化不大。当 f 时，在 2.52 THz 处获得约 70% 的吸收 =1 μm，当 f 时每条曲线在 2.52 THz 处的吸收率 =0.8~ 1.1 μm 大于 50%。这表明制造工艺可能引起的天线线宽差异对太赫兹吸收的影响很小，有利于螺旋型天线耦合微桥结构的设计，降低了制造和实现的难度。允许更大的冗余设计结构。

不同线宽(f)在桥腿上连接两个线性天线的螺旋型天线耦合微桥结构的太赫兹波吸收曲线 )

图 9 显示了线宽为 1 μm 时，在桥腿上连接两个线性天线的螺旋型天线的电场和磁场能量密度图。电场能量的吸收区，如图 9a 所示，主要发生在敏感区和桥腿与敏感区的连接区。磁场能量的吸收，如图 9b 所示，主要归因于天线对支撑层的贡献。大部分吸收发生在支撑层上，可以转化为VOx薄膜的温升。

电场能量密度图 (a ) 和磁场 (b ) 用于在桥腿上连接两个线性天线且线宽为 1 μm 的螺旋型天线耦合微桥结构

在桥腿上具有两个单独的线性天线或两个连接的线性天线的螺旋型天线的设计，如图 1d、e 所示，是在旋转角度为 2.52 THz 的低吸收频率下高吸收率的良好解决方案。设置为 360*n (n =1.6)。带有两个单独线性天线的螺旋型天线在 2.52 THz 附近提供较宽的吸收峰，而带有两个线性天线连接的螺旋型天线随着天线线宽的变化具有相对稳定的吸收峰。具有两个连接的线性天线的螺旋型天线的另一个优点是天线可以作为高度集成和工艺简化的电极引线，因为天线和电极引线层可以通过一步光刻和图案工艺制造。这提供了一种高度集成的螺旋型天线耦合微桥结构，在 2.52 THz 处具有高吸收性，并且提供了一种高度兼容、工艺简化的结构实现方式。

对于天线耦合微桥结构的太赫兹探测器，热响应时间(τ ) 取决于其有效热导 (G eff) 和总热容量 (C tot) 通过 τ =C tot/G 效果G eff 通过 G 定义 eff =G 腿 − αV 偏见我 0，其中α 是电流和 V 的温度系数 偏见和我 0 分别是检测器的偏置电压和电流 [31]。 G 腿 =2σ thA /l 是桥腿的热导，其中 σ th 是腿部热导率和 A 和 l 分别是桥腿的横截面积和长度。因为有两条腿，所以乘以 2。对于确定的微桥结构，桥腿的热传导是固定的； G eff 也将被修复 [32]。 τ 将由 C 决定 tot 是天线和微桥结构的总热容，包括负载使得 C 总 =C 蚂蚁 + C 桥。天线的热容量通过 C 定义 蚂蚁 =c 蚂蚁ρ 蚂蚁V 蚂蚁，其中 c ant 是天线比热，ρ ant 是天线质量密度，V ant 是天线体积。 C 桥接的定义方式与 C 类似 蚂蚁。可以得出结论，C tot 主要受天线体积限制（V ant) 用于固定微桥结构上的确定天线材料。这就是为什么我们希望通过使用线性天线而不是平面天线来减少天线体积以实现更低的热响应时间。对于本文设计的单金属层作为天线和电极引线层的天线耦合微桥结构，C的总热容进一步降低 总 ≈ C 桥。假设微桥结构的中心敏感区由尺寸约为 20 μm × 20 μm、厚度为 0.4 μm 的 Si3N4 薄膜构成，天线层由厚度为 0.05 μm 的 Al 薄膜构成，覆盖敏感区域的1/3，由于PECVD Si3N4薄膜的比热容和质量密度为0.17 J/(g*K)和2500 Kg/m3 , 而铝薄膜的为 0.91 J/(g*K) 和 2700 Kg/m ³ ， 分别。结果表明，对于单天线和电极引线层的天线耦合微桥结构，总热容可以降低到传统的两个金属层作为天线和电极引线的微桥结构的83.7%层，在微桥结构相同的热导率下，热响应时间可减少16.3%。 This provides the potentiality of applications in high-performance THz micro-bolometer detectors with fast response.

结论

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.

Methods

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 plane. 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. Si3N4 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.

缩写

FET:

Field effect transistors

FPA:

Focal plane array

IR：

Infrared

MOSFET:

Metal-oxide-semiconductor FET

NiCr:

Nickel–chromium

PBC:

Periodic boundary conditions

QCL:

Quantum cascade lasers

QW:

Quantum well

Si3N4 :

Silicon nitride

SIS:

Superconductor–insulator–superconductor tunnel junction

THz:

Terahertz

VOx :

Vanadium oxide