与裂环谐振器集成的微测辐射热计阵列的宽带太赫兹吸收

介绍

波长为 30 微米到 3 毫米的太赫兹 (THz) 波是电磁波谱中一个非常重要但很少被探索的部分。太赫兹技术的应用包括安全筛查 [1, 2]、医学 [3, 4]、通信 [5, 6] 和天文学 [7]。由于用于产生和检测太赫兹波的源和设备的发展，太赫兹技术近年来取得了巨大进步[8, 9]。太赫兹探测器主要基于光电效应和热效应。超导测辐射热计等光子探测器可用于高灵敏度和高速探测[10, 11]；但是，它需要冷却到极低的温度。吸收太赫兹波并引起热敏薄膜温度变化的热辐射热计探测器可以在室温下工作，在大规模阵列集成、配置简单和成本低等方面具有很大优势[12,13,14]。太赫兹微测辐射热计阵列由具有微桥结构的像素组成，是从成熟的红外（IR）微测辐射热计技术发展而来的，具有与太赫兹源相同的热转换机制。传统微桥结构的一个关键缺点是其对太赫兹波的吸收较差，导致灵敏度低。已经对微桥结构进行了一些改进以增强太赫兹吸收，包括集成阻抗匹配金属薄膜和调谐到目标频率的天线 [15,16,17,18]。然而，金属薄膜表现出有限的吸收（≤ 50％），而天线耦合微桥结构通常具有很窄的太赫兹波吸收峰。为了在较宽的光谱范围内实现高太赫兹吸收，可以在传统的三层吸收器的顶面添加薄介电层和薄金属层[19]。相位耦合方法和强耦合响应还可以提高吸收带宽或实现多波段吸收[20,21,22,23]。然而，在不牺牲热性能和力学性能的情况下，大多数结构无法集成到具有THz微辐射热计阵列微桥结构的小像素中。

裂环谐振器是一种广泛研究的结构，通过激发被困在周期性结构中的表面等离子体来操纵电磁波 [24, 25]。在本文中，为了增强太赫兹微测辐射热计阵列的吸收，将具有四个开口的金属开口环集成到35μm × 35μm的小尺寸微桥结构中。为了增加吸收带宽，研究了与另一个裂环和金属盘结合的裂环谐振器的周期性结构。宽带太赫兹吸收是通过耦合不同结构的吸收峰来实现的。双环结构与铝 (Al) 盘相结合，提供了 4-7 THz 范围内的宽带太赫兹波吸收，最高吸收率为 90%，最低吸收率高于 40%。相位耦合方法和强耦合响应也可以提高带宽或实现多波段吸收。

结果与讨论

太赫兹微测辐射热计阵列由焦平面上二维重复排列的许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，它由敏感的多层薄膜和支撑薄膜的两条腿组成。多层薄膜包括一个 250 纳米的支撑层（氮化硅，Si3N4），一个 60 纳米的热敏薄膜（氧化钒，VOx )、从下到上的 150 nm 钝化层 (Si3N4) 和太赫兹波吸收层 (Al)。腿用于机械支撑、电气和热通道。 VOx 薄膜通过腿与集成在硅 (Si) 衬底中的读出电路 (ROIC) 的电极连接。吸收层吸收的太赫兹波引起多层膜的温度变化和 ROIC 检测到的 VOx 膜的电阻变化。在硅衬底上厚度为 400 nm 的反射层 (Al) 和敏感的多层膜之间形成 2 μm 高的隔热腔。在本文中，具有四个开口的开口环，如图 1b 所示，被集成到微桥结构中作为太赫兹吸收层。为了增加THz吸收带宽，如图1c所示的双环结构，如图1d所示的与Al盘结合的裂环和如图1e所示的与Al盘结合的双环结构也在研究中。

与裂环谐振器耦合的微桥结构设计。 一 微桥结构剖面图。 b 带四个开口的开口环。 c 双环结构。 d 与铝盘结合的开口环。 e 双环结构结合铝盘。 f 垂直入射光照射的太赫兹微测辐射热计阵列单晶胞

图 2a 显示了具有不同开口宽度 (s ）。开口环的外半径为 15 微米，内半径为 10 微米，厚度为 10 纳米。当裂环的开口宽度为 1 μm、2 μm、4 μm 和 6 μm 时，共振吸收频率分别为 5 THz、5.7 THz、6.2 THz 和 7.1 THz。每个结构的峰值吸收约为 100%。随着开口宽度的增加，共振吸收频率增加。裂环的开口可视为等效电容（C ) 而裂环的金属环部分可视为等效电感 (L ) 和共振频率 (\(\omega\)) 可以表示为 \(\omega =\frac{1}{\sqrt{LC}}\)。开口宽度的增加导致等效电容的减小和谐振频率的增加。因此，可以用较小的开口宽度来实现较低频率下的高共振吸收。图 2b 显示了具有不同环宽 (d ）。开口环的外半径为 15 微米，开口宽度为 2 微米，厚度为 10 纳米。可以看出，随着环宽的减小，共振吸收频率和峰值吸收减小。峰值吸收在 5.7 THz 处达到 100%，在 5.3 THz 处达到 97%，环宽分别为 5 μm 和 3 μm。当环宽为 1 μm 时，共振吸收频率为 5 THz，峰值吸收降低到 60%。谐振吸收频率的降低归因于等效电感随着环宽的减小而增大。

一 不同开口宽度(s)周期性裂环结构的太赫兹波吸收 ）。开口环的外半径为 15 微米，内半径为 10 微米，厚度为 10 纳米。 b 不同环宽(d)周期性裂环结构的太赫兹波吸收 ）。开口环的外半径为 15 μm，开口宽度为 2 μm，厚度为 10 nm

周期性裂环结构可以在共振频率提供高太赫兹波吸收。但吸收峰较窄。为了增加吸收带宽，将几种不同组合的裂环和铝盘的周期性结构集成到微桥结构阵列中。图 3a 显示了具有不同内裂环外半径 (r 一世）。双环结构的开口宽度为 2 μm，厚度为 10 nm。外开口环的外半径为 17 μm，两个开口环的宽度均为 2 μm。双环结构有两个吸收峰。随着内裂环的外半径从 11 μm 增加到 13 μm，一个共振吸收频率保持在 3.3 THz 不变，而另一个共振吸收频率从 5.1 THz 降低到 4.3 THz。低频和高频处的吸收峰分别由外裂环和内裂环贡献。随着两个裂环的距离越来越近，两个吸收峰相互耦合，形成一个更宽的吸收带。然而，该结构在3.2-5.2 THz的吸收带中表现出25-55%的较低吸收。

一 不同内裂环外半径的周期性双环结构的太赫兹波吸收 (r 一世）。双环结构的开口宽度为 2 μm，厚度为 10 nm。外开口环的外半径为 17 μm，两个开口环的宽度均为 2 μm。 b 不同圆盘半径(r d)。周期性结构的厚度为 10 纳米。开口环的外半径为 17 μm，环宽为 2 μm，开口宽度为 2 μm。 c 两个开口环和不同圆盘半径的铝圆盘组合周期结构的太赫兹波吸收 (r d)。周期性结构的厚度为 10 纳米。两个开口环的环宽分别为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 14 μm

不同圆盘半径(r d) 如图 3b 所示。周期性结构的厚度为 10 纳米。开口环的外半径为 17 μm，环宽为 2 μm，开口宽度为 2 μm。周期性结构具有两个吸收峰。吸收峰之一位于 4.3 THz 附近，不随铝盘半径变化。随着圆盘半径从 6 μm 增加到 12 μm，高频处的另一个吸收峰向低频方向移动，吸收峰的变化不显着。 4.3 THz附近的吸收峰由裂环贡献，而随着盘结构变化而移动的高频吸收峰由Al盘贡献。当圆盘的半径为 12 μm 时，获得宽度约为 2 THz 的宽带吸收。图 3c 显示了两个裂环和具有不同圆盘半径 (r d ）。周期性结构的厚度为 10 纳米。两个开口环的环宽分别为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 14 μm。外裂环的共振吸收频率约为 4.2 THz，内裂环的共振吸收频率在 5.5 至 6 THz 之间。当铝盘半径为 7 μm 时，共振吸收峰位于 8.2 THz。当圆盘半径为 9 μm 时，其吸收峰移至 6.5 THz 并与内裂环的吸收峰耦合。两个裂环和铝盘组合的周期性结构提供了 4-7 THz 的宽带吸收。带内最高吸收达90%，最低吸收达40%以上。

图 4 显示了在不同共振吸收频率下，周期性双环结构结合铝盘的电场能量密度、磁场能量密度和功率损耗的分布。周期性结构的厚度为 10 纳米。两个开口环的环宽分别为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 14 μm。 Al 盘的半径为 9 μm。如图 3c 所示，这种周期性结构在 4.28 THz、5.74 THz、6.5 THz 和 8.5 THz 频率处具有四个吸收峰。四个谐振吸收频率处的电场能量密度、磁场能量密度和功率损耗的分布显示了结构中太赫兹波的主要吸收区域。可以看出，外裂环、内裂环和圆盘分别主要对 4.28 THz、5.74 THz 和 6.5 THz 处的共振吸收做出贡献。这支持先前对吸收峰的分析。 8.5 THz 处的低吸收峰归因于周期性结构的耦合。图 4d 显示了在 5.74 THz 和 6.5 THz 共振吸收频率下，周期性双环结构与铝盘结合的电场密度分布截面图。在金属层和介电层可以观察到强电场。吸收主要归因于金属层的欧姆损耗和介电层的介电损耗。大部分吸收发生在支撑层上，可以转化为VOx薄膜的温升。

电场密度分布顶视图 (a ), 磁场密度分布 (b ), 功率损耗 (c ) 和电场密度分布剖面图 (d ) 在两个开口环与不同共振吸收频率下的铝盘结合的周期性结构中。周期性结构的厚度为 10 纳米。两个开口环的环宽分别为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 14 μm。铝盘的半径为 9 μm

两个裂环和不同厚度的铝盘组合的周期结构的太赫兹波吸收 (t ) 如图 5 所示。在图 5a 的周期性结构中，两个裂环的环宽为 1 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 15 μm。 Al 盘的半径为 13 μm。相邻结构之间的距离为 1 μm。不同结构的吸收峰耦合在一起，形成较宽的吸收带。随着吸收层厚度的增加，吸收带宽变窄。但是，当厚度大于30nm时，周期结构的吸收特性没有明显变化，表现出相对稳定的吸收。在图 5b 的周期性结构中，两个开口环的环宽为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 13 μm。 Al 盘的半径为 9 μm。相邻结构之间的距离为 2 μm。当吸收层的厚度为 10 nm 时，这种周期性结构在 4-7 THz 范围内提供宽带吸收，在该波段提供 40-90% 的太赫兹波吸收。随着厚度的增加，吸收带逐渐变成两个独立的吸收峰。虽然峰值吸收很高，但很难形成很宽的太赫兹波吸收带。

两个裂环和不同厚度的铝盘组合的周期结构的太赫兹波吸收 (t ）。 一 两个开口环的环宽为 1 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 15 μm。 Al 盘的半径为 13 μm。 b 两个开口环的环宽为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 13 μm。铝盘的半径为 9 μm

为了研究斜入射照射下的吸收特性，两个开口环和一个Al圆盘组合的周期性结构的吸收特性具有0°（垂直入射）、10°、20°、40°的不同入射角°、60° 和 80° 模拟如图 6 所示。在周期性结构中，两个裂环的环宽为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 13 μm ， 分别。 Al 盘的半径为 9 μm，厚度为 10 nm。相邻结构之间的距离为 2 μm。随着入射角的增加，两个峰值吸收频率略微向低频方向移动。当入射角小于30°时，峰值吸收率的变化不显着。然而，当入射角大于40°时，吸收强度会显着下降。

具有不同入射角的两个裂环和铝盘组合的周期性结构的太赫兹波吸收。两个开口环的环宽分别为 2 μm，开口宽度为 2 μm，外半径分别为 17 μm 和 13 μm。铝盘的半径为 9 μm，厚度为 10 nm

结论

以提高太赫兹波吸收和增加太赫兹微测辐射热计的吸收带宽为目的，研究了单元尺寸为35μm × 35μm的微桥结构阵列中基于Al裂环谐振器的周期结构。裂环谐振器的谐振吸收频率由开口宽度和环的宽度决定。具有裂环和铝盘组合的周期性结构被集成到微桥结构阵列中。通过耦合不同结构的吸收峰，有效增加了吸收带宽。 4-7 THz 频率范围内的高太赫兹波吸收，吸收率为 40-90%，是通过与圆盘结合的周期性双环结构实现的。该结构满足太赫兹微测辐射热计像素尺寸小、吸收高、光谱响应宽的要求。

方法

我们使用 CST Microwave Studio 2016 进行了有限元数值模拟。我们模拟了尺寸为 35 μm × 35 μm 的太赫兹微测辐射热计阵列的单个立方晶胞，如图 1f 所示。波矢k 通过 z 传播 在 x–z 中具有完美电场的方向 y–z 中的平面和完美磁场 飞机。我们在立方晶胞的顶面和底面设置输入和输出端口，分别表示为端口“1”和端口“2”。模拟产生了频率相关的复数 S 参数，我们从中获得了反射率 R =|S 11 | ² 在端口“1”和透射率T =|S21| ² 在端口“2”处，沿 x 具有周期性边界条件 (PBC) 和 y 方向。通过A计算周期结构的吸收 =1 −|S 11 | ² -|S 21 | ² .对于图 1b-e 中提出的结构，Al 吸收层和反射层使用 Drude 模型建模，等离子体频率为 \({\omega }_{p}=\) 92,700 cm ^-1 和散射频率 \({\omega }_{\tau }=\) 408 cm ⁻¹ [26]。总厚度为 400 nm 的支撑和钝化层被建模为光学 Si3N4 膜，其色散介电常数为 CST 中的二阶模型（拟合），磁导率为 1。腔体被建模为介电常数为 1 和0 S/m 渗透率。

数据和材料的可用性

支持本文结论的所有数据均包含在本文中。

缩写

太赫兹：

太赫兹

IR：

红外线

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