基于集成裂环谐振器的微测辐射热计阵列实现增强宽带太赫兹吸收

摘要

本文将基于金属裂环谐振器的周期性结构集成到太赫兹微测辐射热计阵列的微桥结构中，旨在在宽频率范围内实现高太赫兹波吸收。研究采用 35 μm × 35 μm 的微小单元尺寸，系统考察了裂环结构对多层结构阵列太赫兹波吸收特性的影响，并通过调控谐振吸收频率来优化性能。通过集成裂环与金属圆盘的组合结构，有效拓宽了吸收带宽。不同结构吸收峰的耦合形成了宽带太赫兹吸收。双环结构结合铝圆盘在 4–7 THz 范围内提供宽带太赫兹波吸收，最高吸收率达 90%，最低吸收率高于 40%。该设计工艺兼容性好，易于在小像素太赫兹微测辐射热计中实现，为室温下的宽带太赫兹感知和实时成像提供了可行方案。

引言

波长 30 μm 至 3 mm 的太赫兹（THz）波是电磁波谱中极其重要却鲜少被探索的部分。太赫兹技术应用广泛，涵盖安检筛查、医学诊断、通信及天文观测等领域。近年来，得益于太赫兹波生成与探测源器件的发展，太赫兹技术取得巨大进展。太赫兹探测器主要基于光电效应和热效应。光子探测器（如超导辐射计）虽具高灵敏度和高速度，但需极低温运行；而吸收太赫兹波致使热敏薄膜温度变化的热辐射计探测器可在室温工作，在大规模阵列集成、结构简单、成本低廉等方面具有显著优势。太赫兹微测辐射热计阵列由具有微桥结构的像素组成，源自成熟的红外（IR）微测辐射热计技术，采用相同的热转换机制并配备太赫兹源。传统微桥结构的关键缺陷在于对太赫兹波吸收差，导致灵敏度低。为增强太赫兹吸收，已有改进措施包括集成阻抗匹配金属薄膜和针对目标频率调谐的天线。然而，金属薄膜吸收有限（≤50%），天线耦合微桥结构通常仅呈窄吸收峰。为在宽光谱范围内实现高太赫兹吸收，可在传统三层吸收体顶面增加薄介质层和薄金属层；相位耦合法和强耦合响应也能提升吸收带宽或实现多频段吸收。但大多数结构难以在不牺牲热力学和力学性能的前提下集成到太赫兹微测辐射热计阵列的小像素微桥结构中。

裂环谐振器是通过激发周期性结构中被束缚的表面等离子体来调控电磁波的广泛研究结构。本文旨在增强太赫兹微测辐射热计阵列吸收，将四开口金属裂环集成到 35 μm × 35 μm 的微桥结构中。为增加吸收带宽，研究了裂环谐振器与另一裂环及金属圆盘组合的周期性结构。通过不同结构吸收峰的耦合实现宽带太赫兹吸收。双环结构结合铝（Al）圆盘在 4–7 THz 范围内提供宽带太赫兹波吸收，最高吸收率 90%，最低吸收率高于 40%。相位耦合法和强耦合响应亦可改善带宽或实现多频段吸收。

结果与讨论

太赫兹微测辐射热计阵列由二维重复排列在焦平面上的众多微桥结构像素组成，每个像素独立测量太赫兹辐射。微桥结构如图 1a 所示，包含敏感多层薄膜和两根支撑薄膜的支腿。多层薄膜自底向上依次为：250 nm 支撑层（氮化硅，Si₃N₄）、60 nm 热敏薄膜（氧化钒，VOₓ）、150 nm 钝化层（Si₃N₄）和太赫兹波吸收层（Al）。支腿提供机械支撑、电学与热学通道。VOₓ 薄膜通过支腿与集成在硅（Si）衬底上的读出电路（ROIC）电极相连。吸收层吸收太赫兹波导致多层薄膜温度变化，进而引起 VOₓ 薄膜电阻变化，经 ROIC 检测。衬底上 400 nm 厚的反射层（Al）与敏感多层薄膜之间形成 2 μm 高的热绝缘腔。本文将四开口裂环（图 1b）集成到微桥结构中作为太赫兹吸收层。为增加太赫兹吸收带宽，还研究了图 1c 所示双环结构、图 1d 所示裂环结合 Al 圆盘及图 1e 所示双环结合 Al 圆盘结构。

图 2a 展示了不同开口宽度（s）的周期性裂环结构的太赫兹波吸收。裂环外半径 15 μm，内半径 10 μm，厚度 10 nm。开口宽度分别为 1、2、4、6 μm 时，谐振吸收频率分别为 5、5.7、6.2、7.1 THz，峰值吸收率均约 100%。开口宽度增加导致谐振吸收频率升高。裂环开口可视为等效电容（C），金属环部分视为等效电感（L），谐振频率 ω = 1/√(LC)。开口宽度增加使等效电容减小，谐振频率升高。因此，较小的开口宽度可在较低频率实现高谐振吸收。图 2b 展示不同环宽（d）的周期性裂环结构吸收。外半径 15 μm，开口宽度 2 μm，厚度 10 nm。环宽减小时，谐振吸收频率和峰值吸收率均下降。环宽 5 μm 和 3 μm 时峰值吸收分别达 100%（5.7 THz）和 97%（5.3 THz）；环宽 1 μm 时谐振频率 5 THz，峰值吸收降至 60%。谐振频率下降归因于环宽减小导致等效电感增加。

周期性裂环结构虽在谐振频率提供高吸收，但吸收峰窄。为拓宽带宽，将多种裂环与 Al 圆盘组合的周期性结构集成到微桥阵列中。图 3a 显示不同内裂环外半径（rᵢ）的双环结构吸收。双环开口宽度 2 μm，厚度 10 nm，外环外半径 17 μm，两环宽均 2 μm。双环结构呈两个吸收峰。内环外半径从 11 μm 增至 13 μm 时，低频峰保持 3.3 THz 不变，高频峰从 5.1 THz 降至 4.3 THz。低频峰由外环贡献，高频峰由内环贡献。两环靠近时，两峰耦合形成较宽吸收带，但 3.2–5.2 THz 带内吸收仅 25–55%，相对较低。

图 3b 展示不同圆盘半径（r𝒹）的裂环结合 Al 圆盘周期性结构吸收。结构厚度 10 nm，裂环外半径 17 μm，环宽 2 μm，开口宽度 2 μm。结构呈两吸收峰：一峰位于 4.3 THz 附近，随圆盘半径不变；另一高频峰随圆盘半径从 6 μm 增至 12 μm 向低频移动，峰值吸收变化不大。4.3 THz 峰由裂环贡献，高频移动峰由 Al 圆盘贡献。圆盘半径 12 μm 时获得约 2 THz 宽的宽带吸收。图 3c 显示双裂环结合 Al 圆盘结构吸收。两裂环环宽 2 μm，开口宽度 2 μm，外半径分别 17 μm 和 14 μm。外环谐振约 4.2 THz，内环在 5.5–6 THz 间。Al 圆盘半径 7 μm 时谐振峰 8.2 THz；半径 9 μm 时峰移至 6.5 THz 并与内环峰耦合。双裂环结合 Al 圆盘结构在 4–7 THz 形成宽带吸收，最高吸收 90%，最低吸收高于 40%。

图 4 展示双环结合 Al 圆盘周期性结构在不同谐振吸收频率下的电场能量密度、磁场能量密度和功率损耗分布。结构厚度 10 nm，两裂环环宽 2 μm，开口宽度 2 μm，外半径 17 μm 和 14 μm，Al 圆盘半径 9 μm。根据图 3c，该结构在 4.28、5.74、6.5、8.5 THz 有四个吸收峰。场分布显示外环、内环、圆盘分别主导 4.28、5.74、6.5 THz 处的谐振吸收，支持前文吸收峰归因分析。8.5 THz 低吸收峰归因于周期性结构耦合。图 4d 为 5.74 和 6.5 THz 时电场密度分布剖视图，金属层和介质层均观测到强电场。吸收主要源于金属层欧姆损耗和介质层介质损耗，多发生在支撑层，可转化为 VOₓ 薄膜温升。

图 5 展示不同厚度（t）的双裂环结合 Al 圆盘周期性结构吸收。图 5a 中两裂环环宽 1 μm，开口宽度 2 μm，外半径 17 μm 和 15 μm，Al 圆盘半径 13 μm，结构间距 1 μm。不同结构吸收峰耦合形成宽吸收带。吸收层厚度增加导致带宽变窄；厚度超 30 nm 时吸收特性趋稳。图 5b 中两裂环环宽 2 μm，开口宽度 2 μm，外半径 17 μm 和 13 μm，Al 圆盘半径 9 μm，结构间距 2 μm。厚度 10 nm 时在 4–7 THz 形成宽带吸收，吸收率 40–90%。厚度增加时吸收带逐渐分裂为两独立峰，虽峰值吸收极高，但难以形成宽吸收带。

为研究斜入射吸收特性，模拟了双裂环结合 Al 圆盘结构在 0°（正入射）、10°、20°、40°、60°、80° 入射角下的吸收（图 6）。结构参数同图 5b，吸收层厚度 10 nm。入射角增大时，两峰值吸收频率略向低频偏移。入射角 <30° 时峰值吸收率变化不显著；>40° 时吸收强度显著下降。

结论

本文研究了基于 Al 裂环谐振器的微桥结构阵列周期性结构，单元尺寸 35 μm × 35 μm，旨在提升太赫兹微测辐射热计的太赫兹波吸收及吸收带宽。裂环谐振器的谐振吸收频率由开口宽度和环宽决定。将裂环与 Al 圆盘组合的周期性结构集成到微桥阵列中，通过不同结构吸收峰的耦合有效增加吸收带宽。双环结合圆盘结构在 4–7 THz 频段实现 40–90% 的高太赫兹波吸收。该结构满足太赫兹微测辐射热计对小像素尺寸、高吸收、宽谱响应的要求。

方法

采用 CST Microwave Studio 2016 进行有限元数值模拟。模拟单个立方单元胞（35 μm × 35 μm），如图 1f 所示。波矢 k 沿 z 方向传播，x–z 平面为完美电场，y–z 平面为完美磁场。在立方单元胞顶底面设置输入输出端口（端口 1 和 2）。仿真得到频率相关复数 S 参数，利用周期性边界条件（PBC）计算端口 1 反射率 R = |S₁₁|² 和端口 2 透射率 T = |S₂₁|²。周期性结构吸收率 A = 1 − |S₁₁|² − |S₂₁|²。图 1b–e 结构中的 Al 吸收层和反射层采用德拜模型，等离子体频率 ωₚ = 92,700 cm⁻¹，散射频率 ω𝜏 = 408 cm⁻¹ [26]。总厚度 400 nm 的支撑层和钝化层建模为光学 Si₃N₄ 薄膜，采用 CST 中二阶色散介电常数模型（拟合），磁导率为 1。腔区介电常数 1，磁导率 0 S/m。

数据与材料可用性

支持本文结论的所有数据均包含在文中。

缩写

THz:

太赫兹

IR:

红外

Al:

铝

Si₃N₄:

氮化硅

VOₓ:

氧化钒

ROIC:

读出集成电路

Si:

硅

PBC:

周期性边界条件