Mejora de la absorción y modulación de frecuencia del microbolómetro THz con estructura de micropuente mediante antenas de tipo espiral

Curvas de absorción de ondas THz de estructuras de micropuentes con antena de tipo espiral en la capa de soporte cuando n =1.6 con diferente ancho de línea ( a ) y espaciado diferente ( b )

Se obtiene una absorción más pobre cerca de 2,52 THz para la estructura de micropuente acoplado a antena de tipo espiral con un tamaño de píxel de 25 μm × 25 μm debido a un tamaño de píxel más pequeño en comparación con la estructura de píxeles de 35 μm × 35 μm informada en [29] que proporciona una tasa de absorción más alta del 45% a 2,77 THz cuando n =1,1 y 46% a 2,99 THz cuando n =2,1. Como hemos concluido anteriormente, aumentar el área de la antena es una forma efectiva de modulación de la frecuencia de absorción, pero está limitado por el tamaño de la capa de soporte y se vuelve más severo para un píxel de 25 μm × 25 μm.

Antena de tipo espiral con una única antena lineal separada en una de las patas del puente

Las patas de la estructura de micropuente desempeñan el papel de soporte mecánico y canales eléctricos y térmicos. Las patas largas del puente pueden proporcionar baja conductividad térmica y mejorar el rendimiento de aislamiento térmico de la estructura del micropuente. Sin embargo, también reduce el tamaño efectivo del área sensible, limitando el tamaño de la película o estructuras absorbentes. Para lograr una alta tasa de absorción a una frecuencia más baja, se introducen antenas lineales en las patas del puente para aumentar el área de las antenas. La Figura 1c muestra una antena de tipo espiral con una única antena lineal separada en una de las patas del puente.

Nuestra investigación indicó que el puerto de la antena lineal en la pata del puente cerca del lado del área sensible tenía un fuerte efecto de absorción de acoplamiento. Así que configuramos el ángulo de rotación en 360 * n ( n =1.1 y n =1,6), el ancho de línea de la antena a 1 μm y el espaciado a 2,5 μm ( n =1,1) y 1,4 μm ( n =1.6) y ajustó la distancia ( i , indicado en la Fig. 1c con un dibujo parcialmente ampliado) entre el puerto de la antena en el brazo del puente y la conexión entre el brazo del puente y el área sensible. Curvas de absorción de ondas THz de estructuras de micropuentes acopladas a antenas de tipo espiral con una única antena lineal separada en una de las patas del puente para diferentes posiciones de antenas lineales cuando n =1.1 y n =1.6 se muestran en la Fig. 4a, b, respectivamente.

Curvas de absorción de ondas THz de estructuras de micropuentes acopladas a antenas de tipo espiral con una sola antena lineal separada en una de las patas del puente cuando n =1.1 ( a ) y n =1.6 ( b ) para diferentes posiciones de antena lineal

Como se muestra en la Fig. 4a, aparece un nuevo pico de absorción a una frecuencia más baja cuando se introduce la antena en el brazo del puente, además del pico de absorción original cerca de 3,5 THz. A medida que el puerto de la antena de la pata del puente se acerca al área sensible ( i cambia de -2,5 a 2 μm), la absorción a una frecuencia más alta permanece aproximadamente igual, mientras que la tasa de absorción máxima y la frecuencia de absorción disminuyen a una frecuencia más baja. Queda claro que la antena en la pata del puente contribuye a la absorción a una frecuencia más baja. Las curvas de absorción de las antenas de tipo espiral con una única antena lineal separada cuando n =1,6, que se muestra en la Fig. 4b, indica un pico de absorción amplio cerca de 2,52 THz. Esto se debe a que los picos de absorción de la antena de tipo espiral en la capa de soporte y la de la antena en la pata del puente ocurren en la posición cerrada. Como yo cambia de - 2,5 a - 1 μm, los dos picos de absorción se acercan y amplían la banda de absorción. Se puede obtener una amplia absorción de más del 40% en un ancho de banda de 0,4 THz cuando i =- 1,5 y se logra un solo pico de absorción de ancho con un ancho de pico medio de 0,3 THz cuando i =- 1.

Antena de tipo espiral con dos antenas lineales independientes en las patas del puente

Para antenas de tipo espiral con dos antenas lineales separadas, que se muestran en la Fig. 1d, curvas de absorción de ondas THz de estructuras de micropuentes acopladas a antenas de tipo espiral para diferentes posiciones de antenas lineales cuando n =1.1 y n =1.6, con la misma configuración de otros parámetros de estructura, incluido el ancho de línea y el espaciado, se muestran en la Fig. 5a, b, respectivamente. Las variaciones de absorción de THz tienen la misma tendencia en general que la de la antena de tipo espiral con una única antena lineal separada que se muestra en la Fig. 4. Las dos patas de la estructura de micropuente se utilizan para preparar antenas, por lo que el área de la antena se agranda aún más. Esto da como resultado una tasa de absorción mucho más alta (más del 90%) a menor frecuencia cuando n =1,1 como se muestra en la Fig. 5a en comparación con la antena de tipo espiral con una única antena lineal separada. La introducción de antenas en las patas del puente también aumenta la absorción a la frecuencia original más alta. También se obtienen picos de absorción amplios en la Fig. 5b cuando n =1,6 y las absorciones se mejoran significativamente. Se puede concluir que la antena de tipo espiral con dos antenas lineales separadas en las patas del puente cuando n =1.6 es más adecuado para ser utilizado en FPA de microbolómetros de THz basados ​​en estructuras de micropuentes debido a su mayor absorción en una banda más ancha.

Curvas de absorción de ondas THz de estructuras de micropuentes acopladas a antenas de tipo espiral con dos antenas lineales separadas en las patas del puente cuando n =1.1 ( a ) y n =1.6 ( b ) para diferentes posiciones de antena lineal

La Figura 6 muestra los diagramas de densidad de energía del campo eléctrico y el campo magnético para los tres tipos de estructuras de micropuentes acopladas a antenas de tipo espiral diseñadas anteriormente. Puede verse en la Fig.6a, b que para la antena de tipo espiral en la capa de soporte, la absorción de energía del campo eléctrico ocurre principalmente en el centro y en ambos extremos de la antena de tipo espiral, mientras que la línea de antena contribuye con la mayor parte de la absorción. de la energía del campo magnético, lo que concuerda con nuestros estudios anteriores informados en [29]. La figura 6c, d muestra que se produce un fuerte efecto de absorción de acoplamiento de la energía del campo eléctrico en el puerto de la única antena lineal separada en el brazo del puente cerca del lado del área sensible, y la antena en el brazo también contribuye a la absorción de la energía del campo magnético. . Se pueden observar fenómenos similares para la antena de tipo espiral con dos antenas lineales separadas en las patas del puente, como se muestra en la Fig. 6e, f. La absorción tanto de la energía del campo eléctrico como de la energía del campo magnético aumenta en el área de absorción y aumenta en la intensidad de absorción debido al área ampliada de la antena. La figura 6g, h muestra la distribución de la pérdida de potencia en la estructura del micropuente junto con una antena de tipo espiral con dos antenas lineales separadas en las patas del puente cuando n =1.6 y i =- 2 desde la vista superior y la vista lateral, respectivamente. Puede verse claramente en la Fig. 6h que la pérdida de potencia está confinada casi por completo en el área sensible central, que es propicia para causar un aumento de temperatura del VO termosensible _x película fina integrada en la zona sensible central. La pérdida de potencia inducida por la antena central de tipo espiral ocurre principalmente en la capa de la antena, mientras que la mayor parte de la pérdida causada por las antenas lineales separadas en las patas del puente ocurre en el Si ₃ N ₄ capa de soporte. Esto significa que el pico de absorción a una frecuencia más alta en la Fig.5a es causado por la pérdida óhmica de la antena central tipo espiral, mientras que el pico de absorción a una frecuencia más baja se atribuye a antenas lineales separadas en las patas del puente debido a la pérdida dieléctrica, que contribuye a formar un pico de absorción amplio como se muestra en la Fig. 5b. Basado en los coeficientes de transmisión y reflexión ( S parámetros) de la estructura, los datos de dispersión se pueden invertir para determinar el índice de refracción ( n ) e impedancia ( z ), a partir de los cuales los valores autoconsistentes de permitividad efectiva ( ε ) y permeabilidad ( μ ) se puede obtener [30]. La Figura 7a, b muestra las partes real e imaginaria de permeabilidad y permitividad efectivas en función de la frecuencia para la estructura de micropuente acoplada con una antena de tipo espiral con dos antenas lineales separadas cuando n =1.6 y i =- 2, respectivamente. Se puede ver en la Fig. 7 que las resonancias obvias ocurren alrededor de 2.52 THz, lo que induce la pérdida de radiación de THz y los dos picos de absorción como se muestra en la Fig. 5b.

Distribución de la densidad de energía del campo eléctrico, densidad de energía del campo magnético y pérdida de potencia. Diagramas de densidad de energía del campo eléctrico ( a ) y campo magnético ( b ) para antena de tipo espiral en la capa de soporte cuando n =1,6; diagramas de densidad de energía del campo eléctrico ( c ) y campo magnético ( d ) para antena de tipo espiral con una única antena lineal separada cuando n =1.6 y i =- 2; diagramas de densidad de energía del campo eléctrico ( e ) y campo magnético ( f ) para antena de tipo espiral con dos antenas lineales independientes cuando n =1.6 y i =- 2; distribución de la pérdida de potencia en la estructura de micropuente junto con una antena de tipo espiral con dos antenas lineales separadas cuando n =1.6 y i =- 2 desde la vista superior ( g ) y vista lateral ( h )

Partes reales e imaginarias de permeabilidad efectiva ( a ) y permitividad ( b ) en función de la frecuencia para la estructura de micropuente acoplada con una antena de tipo espiral con dos antenas lineales separadas cuando n =1.6 y i =- 2

Antena de tipo espiral con dos antenas lineales conectadas en las patas del puente

Se propuso otro tipo de antena de tipo espiral, que se muestra en la Fig. 1e, con dos antenas lineales conectadas en las patas del puente. La Figura 8 muestra las curvas de absorción de ondas THz de estructuras de micropuente acopladas a antena de tipo espiral cuando n =1.6, g (espaciado) =1,4 μm para diferentes anchos de línea ( f ). En la Fig. 8 se observan dos picos de absorción aparentes. La posición de absorción máxima se mueve lentamente a una frecuencia más baja con el aumento del ancho de la línea de la antena, mientras que la tasa de absorción máxima cambia poco. Se obtiene una absorción de aproximadamente el 70% a 2,52 THz cuando f =1 μm, y la tasa de absorción de cada curva a 2,52 THz cuando f =0,8 ~ 1,1 μm está por encima del 50%. Esto indica que la diferencia de ancho de la línea de antena que puede ser causada por el proceso de fabricación tiene poca influencia en la absorción de THz, lo que favorece el diseño de estructuras de micropuente acopladas a antena de tipo espiral y reduce la dificultad de fabricación y realización. de las estructuras diseñadas para una mayor redundancia.

Curvas de absorción de ondas THz de estructuras de micropuentes acopladas a antenas de tipo espiral con dos antenas lineales conectadas en las patas del puente para diferentes anchos de línea ( f )

La Figura 9 muestra los diagramas de densidad de energía del campo eléctrico y el campo magnético para una antena de tipo espiral con dos antenas lineales conectadas en las patas del puente cuando el ancho de línea es de 1 μm. El área de absorción de la energía del campo eléctrico, mostrada en la Fig. 9a, ocurre principalmente en el área sensible y el área de conexión entre las patas del puente y el área sensible. La absorción de la energía del campo magnético, que se muestra en la Fig. 9b, se atribuye principalmente a la contribución de la antena en la capa de soporte. La mayor parte de la absorción ocurre en la capa de soporte y puede transformarse en un aumento de temperatura del VO _x película fina.

Diagramas de densidad de energía del campo eléctrico ( a ) y campo magnético ( b ) para estructuras de micropuentes acopladas a antenas de tipo espiral con dos antenas lineales conectadas en las patas del puente y un ancho de línea de 1 μm

El diseño de antena de tipo espiral con dos antenas lineales separadas o dos antenas lineales conectadas en las patas del puente, que se muestra en la Fig.1d, e, es una buena solución para una alta tasa de absorción a una baja frecuencia de absorción de 2.52 THz cuando el ángulo de rotación es establecido en 360 * n ( n =1,6). La antena de tipo espiral con dos antenas lineales independientes proporciona un pico de absorción amplio cercano a 2,52 THz, mientras que la antena de tipo espiral con dos antenas lineales conectadas tiene un pico de absorción relativamente estable con el cambio del ancho de línea de la antena. Otra ventaja de la antena de tipo espiral con dos antenas lineales conectadas es que la antena puede actuar como cable de electrodo para una alta integración y simplificación del proceso, ya que la antena y la capa de cable de electrodo se pueden fabricar mediante un proceso de fotolitografía y patrón de un solo paso. Esto proporciona una estructura de micropuente acoplada a antena tipo espiral altamente integrada con alta absorción a 2.52 THz y una forma altamente compatible y simplificada del proceso para realizar la estructura.

Para el detector de THz con estructura de micropuente acoplado a antena, el tiempo de respuesta térmica ( τ ) depende de su conductancia térmica efectiva ( G _ef ) y capacidad calorífica total ( C _tot ) a través de τ = C _tot / G _ef . G _ef se define a través de G _ef = G _pierna - αV _sesgo yo ₀ , donde α es el coeficiente de temperatura de la corriente y V _sesgo y yo ₀ son la tensión y la corriente de polarización del detector [31], respectivamente. G _pierna =2 σ _th A / l es la conductancia térmica de las patas del puente, donde σ _th es la conductividad térmica de la pierna y A y l son el área de la sección transversal y la longitud de las patas del puente, respectivamente. Se multiplica por 2 porque hay dos piernas. Para una estructura de micropuente definida, la conducción de calor de las patas del puente es fija; G _ef también sería fijo [32]. τ será determinado por C _tot , que es la capacidad calorífica total de la estructura de la antena y el micropuente, incluida la carga de modo que C _tot = C _hormiga + C _puente . La capacidad calorífica de la antena se define mediante C _hormiga = c _hormiga ρ _hormiga V _hormiga , donde c _hormiga es el calor específico de la antena, ρ _hormiga es la densidad de masa de la antena y V _hormiga es el volumen de la antena. C _puente se define de manera similar a C _hormiga . Se puede concluir que C _tot está restringido principalmente por el volumen de la antena ( V _hormiga ) para un material de antena definido en una estructura de micropuente fija. Es por eso que esperamos reducir el volumen de la antena utilizando antenas lineales en lugar de antenas planas para lograr un menor tiempo de respuesta térmica. Para la estructura de micropuente acoplada a la antena diseñada en este documento con una sola capa de metal que actúa como la antena y la capa de plomo del electrodo, la capacidad de calor total se reduce aún más para C _tot ≈ C _puente . Suponiendo que el área sensible central de una estructura de micropuente consiste en Si ₃ N ₄ película con un tamaño de aproximadamente 20 μm × 20 μm y un grosor de 0,4 μm, y la capa de la antena está hecha de una película delgada de Al con un grosor de 0,05 μm y cubre 1/3 del área sensible, la capacidad calorífica de Si ₃ N ₄ La película y la antena de Al se pueden calcular a partir de la capacidad calorífica específica y la densidad de masa de PECVD Si ₃ N ₄ película son 0,17 J / (g * K) y 2500 Kg / m ³ , mientras que los de película fina de Al son 0.91 J / (g * K) y 2700 Kg / m ³ , respectivamente. Los resultados sugieren que para la estructura de micropuente acoplada a antena con una sola antena y una capa de electrodo, la capacidad calorífica total se puede reducir al 83,7% de la estructura de micropuente tradicional con dos capas de metal que actúan como antena y electrodo. capa por separado, y el tiempo de respuesta térmica se puede reducir en un 16,3% bajo la misma conductividad térmica de la estructura del micropuente. This provides the potentiality of applications in high-performance THz micro-bolometer detectors with fast response.

Conclusiones

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. 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.

Abreviaturas

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

Si₃ N ₄ :

Silicon nitride

SIS:

Superconductor–insulator–superconductor tunnel junction

THz:

Terahertz

VO_x :

Vanadium oxide

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