Mejora de la absorción de banda ancha en THz en arrays de microbolómetros mediante resonadores de anillo dividido integrados

Resumen

En este trabajo se integra una estructura periódica basada en resonadores metálicos de anillo dividido (split-ring) en las estructuras de micropuente de un array de microbolómetros de THz, logrando una alta absorción de onda THz en un amplio rango de frecuencias. Con un tamaño de unidad reducido de 35 μm × 35 μm, se estudia el efecto de la estructura de anillo dividido sobre las características de absorción del array multicapa para manipular las frecuencias de resonancia. El ancho de banda de absorción se incrementa eficazmente al integrar una estructura combinada de anillo dividido y disco metálico. La absorción de banda ancha en THz se forma mediante el acoplamiento de los picos de absorción de las diferentes estructuras. La estructura periódica de doble anillo combinada con un disco de aluminio (Al) proporciona una absorción de onda THz de banda ancha en el rango de 4–7 THz. La absorción máxima en la banda alcanza el 90% y la mínima supera el 40%. El diseño es compatible con los procesos de fabricación y de fácil implementación para microbolómetros de THz de píxel pequeño con alta absorción en un amplio rango espectral. La investigación ofrece un esquema para la detección e imagen en tiempo real en THz a temperatura ambiente.

Introducción

La onda terahercio (THz), con longitudes de onda entre 30 μm y 3 mm, es una porción importante pero poco explorada del espectro electromagnético. Sus aplicaciones incluyen inspección de seguridad, medicina, comunicaciones y astronomía. La tecnología THz ha avanzado considerablemente en los últimos años gracias al desarrollo de fuentes y dispositivos para generación y detección. Los detectores THz se basan principalmente en efectos fotoeléctricos y térmicos. Los detectores de fotones, como los bolómetros superconductoros, ofrecen alta sensibilidad y velocidad, pero requieren enfriamiento a temperaturas extremadamente bajas. Los bolómetros térmicos, que absorben la radiación THz y provocan un cambio de temperatura en la película sensible, operan a temperatura ambiente y presentan grandes ventajas en integración de arrays a gran escala, configuración simple y bajo coste.

Los arrays de microbolómetros THz están compuestos por píxeles con estructura de micropuente, derivados de la tecnología madura de microbolómetros infrarrojos (IR) con el mismo mecanismo de conversión térmica, equipados con una fuente THz. Un inconveniente crítico de la estructura de micropuente convencional es su pobre absorción de la onda THz, lo que causa baja sensibilidad. Se han realizado mejoras integrando películas metálicas de adaptación de impedancia y antenas sintonizadas a la frecuencia objetivo. Sin embargo, las películas metálicas muestran absorción limitada (≤ 50%), mientras que las estructuras de micropuente acopladas a antena suelen tener picos de absorción estrechos. Para lograr alta absorción en un amplio rango espectral, se pueden añadir capas dieléctricas y metálicas delgadas sobre un absorbedor convencional de tres capas. Los métodos de acoplamiento de fase y respuesta de acoplamiento fuerte también pueden mejorar el ancho de banda o lograr absorción multibanda. No obstante, la mayoría de estas estructuras no pueden integrarse en los píxeles pequeños de los arrays de microbolómetros THz sin sacrificar sus propiedades térmicas y mecánicas.

El resonador de anillo dividido es una estructura ampliamente estudiada para manipular ondas electromagnéticas mediante la excitación de plasmones de superficie atrapados en la estructura periódica. En este trabajo, con el fin de mejorar la absorción del array de microbolómetros THz, se integra un anillo dividido metálico con cuatro aberturas en la estructura de micropuente con un tamaño reducido de 35 μm × 35 μm. Para aumentar el ancho de banda de absorción, se estudian estructuras periódicas de resonadores de anillo dividido combinados con otro anillo dividido y un disco metálico. La absorción de banda ancha en THz se logra acoplando los picos de absorción de las diferentes estructuras. La estructura de doble anillo combinada con un disco de aluminio (Al) proporciona una absorción de onda THz de banda ancha en el rango de 4–7 THz con una absorción máxima del 90% y una mínima superior al 40%.

Resultados y discusión

El array de microbolómetros THz está compuesto por numerosos píxeles de estructura de micropuente dispuestos en una matriz bidimensional repetitiva en el plano focal. Cada píxel mide la radiación THz de forma independiente. La estructura de micropuente, mostrada en la Fig. 1a, consiste en una película multicapa sensible y dos patas que la sostienen. La película multicapa incluye, de abajo hacia arriba: una capa de soporte de 250 nm (nitruro de silicio, Si₃N₄), una película sensible térmica de 60 nm (óxido de vanadio, VOₓ), una capa de pasivación de 150 nm (Si₃N₄) y una capa de absorción de onda THz (Al). Las patas sirven como soporte mecánico y canales eléctricos y térmicos. La película de VOₓ se conecta a través de las patas con los electrodos del circuito de lectura (ROIC) integrado en el sustrato de silicio (Si). La onda THz absorbida por la capa de absorción provoca un cambio de temperatura en la película multicapa y un cambio de resistencia en la película de VOₓ, detectado por el ROIC. Una cavidad de 2 μm de altura para aislamiento térmico se forma entre la capa reflectora (Al) de 400 nm de espesor sobre el sustrato Si y la película multicapa sensible. En este trabajo, el anillo dividido con cuatro aberturas (Fig. 1b) se integra en la estructura de micropuente como capa de absorción THz. Para aumentar el ancho de banda, también se estudian la estructura de doble anillo (Fig. 1c), un anillo dividido combinado con un disco de Al (Fig. 1d) y la estructura de doble anillo combinada con un disco de Al (Fig. 1e).

Efecto de la geometría del anillo dividido en la absorción

La Figura 2a muestra la absorción de onda THz de estructuras periódicas de anillo dividido con diferentes anchos de abertura (s). Los anillos tienen radio externo de 15 μm, radio interno de 10 μm y espesor de 10 nm. Cuando el ancho de abertura es 1, 2, 4 y 6 μm, la frecuencia de resonancia es 5, 5.7, 6.2 y 7.1 THz respectivamente, con absorción pico cercana al 100%. Al aumentar el ancho de abertura, la frecuencia de resonancia aumenta. Las aberturas actúan como capacitancia equivalente (C) y la parte metálica del anillo como inductancia equivalente (L); la frecuencia de resonancia ω = 1/√(LC). El aumento del ancho de abertura reduce la capacitancia equivalente y eleva la frecuencia de resonancia. Por tanto, anchos de abertura menores logran alta absorción a frecuencias más bajas.

La Figura 2b muestra la absorción con diferentes anchos de anillo (d). Los anillos tienen radio externo de 15 μm, ancho de abertura de 2 μm y espesor de 10 nm. Al disminuir el ancho del anillo, la frecuencia de resonancia y la absorción pico disminuyen. Con ancho de anillo de 5 μm se alcanza 100% a 5.7 THz; con 3 μm, 97% a 5.3 THz; con 1 μm, la frecuencia baja a 5 THz y la absorción cae al 60%. La disminución de la frecuencia se atribuye al aumento de la inductancia equivalente al reducirse el ancho del anillo.

Estructuras combinadas para ampliar el ancho de banda

La estructura periódica de anillo dividido único proporciona alta absorción en la frecuencia de resonancia, pero el pico es estrecho. Para ampliar el ancho de banda, se integran en arrays de micropuente estructuras periódicas de varias combinaciones de anillos divididos y disco de Al.

La Figura 3a muestra la absorción de estructuras periódicas de doble anillo con diferentes radios externos del anillo interno (rᵢ). La estructura tiene ancho de abertura de 2 μm y espesor de 10 nm. El radio externo del anillo externo es 17 μm y el ancho de ambos anillos es 2 μm. Las estructuras de doble anillo presentan dos picos de absorción. Al aumentar el radio externo del anillo interno de 11 a 13 μm, un pico se mantiene en 3.3 THz mientras el otro disminuye de 5.1 a 4.3 THz. Los picos a baja y alta frecuencia son contribuidos respectivamente por el anillo externo e interno. Al acercarse los dos anillos, los picos se acoplan formando una banda más ancha, aunque la absorción en la banda de 3.2–5.2 THz es relativamente baja (25–55%).

La Figura 3b muestra la absorción de estructuras periódicas combinando un anillo dividido y un disco de Al con diferentes radios del disco (r_d). El anillo dividido tiene radio externo de 17 μm, ancho de anillo de 2 μm y abertura de 2 μm. Se observan dos picos: uno cerca de 4.3 THz (invariable con el radio del disco, contribuido por el anillo) y otro a mayor frecuencia que se desplaza hacia frecuencias más bajas al aumentar el radio del disco de 6 a 12 μm (contribuido por el disco). Con radio de disco de 12 μm se obtiene una absorción de banda ancha de ~2 THz de ancho.

La Figura 3c muestra la absorción de estructuras combinando dos anillos divididos y un disco de Al con diferentes radios del disco (r_d). Los dos anillos tienen ancho de 2 μm, abertura de 2 μm y radios externos de 17 μm y 14 μm. La frecuencia de resonancia es ~4.2 THz para el anillo externo y entre 5.5–6 THz para el interno. Con radio de disco de 7 μm, el pico está a 8.2 THz; con 9 μm, se desplaza a 6.5 THz acoplándose con el pico del anillo interno. Esta estructura de doble anillo con disco proporciona absorción de banda ancha en 4–7 THz, con absorción máxima del 90% y mínima superior al 40%.

Análisis de campos y pérdidas

La Figura 4 muestra la distribución de densidad de energía de campo eléctrico, campo magnético y pérdida de potencia en la estructura de doble anillo con disco de Al a diferentes frecuencias de resonancia. La estructura tiene espesor de 10 nm; los anillos tienen ancho de 2 μm, abertura de 2 μm, radios de 17 μm y 14 μm; el disco de Al tiene radio de 9 μm. Según la Fig. 3c, esta estructura presenta cuatro picos a 4.28, 5.74, 6.5 y 8.5 THz. La distribución de campos y pérdidas en estas frecuencias revela las principales áreas de absorción: el anillo externo, el interno y el disco contribuyen principalmente a las resonancias a 4.28, 5.74 y 6.5 THz respectivamente, confirmando el análisis previo. El pico bajo a 8.5 THz se atribuye al acoplamiento de estructuras periódicas. La Fig. 4d muestra la vista transversal de la distribución de densidad de campo eléctrico a 5.74 y 6.5 THz. Se observa campo eléctrico fuerte en las capas metálica y dieléctrica. La absorción se debe principalmente a pérdidas óhmicas en la capa metálica y pérdidas dieléctricas en la capa dieléctrica. La mayor parte de la absorción ocurre en la capa de soporte y puede transformarse en aumento de temperatura de la película delgada de VOₓ.

Influencia del espesor de la capa de absorción

La Figura 5 muestra la absorción de estructuras combinando dos anillos y un disco de Al con diferentes espesores (t). En la Fig. 5a, los anillos tienen ancho de 1 μm, abertura de 2 μm, radios de 17 y 15 μm; el disco tiene radio de 13 μm; distancia entre estructuras adyacentes de 1 μm. Los picos de absorción se acoplan formando una banda ancha. Al aumentar el espesor, la banda se estrecha; pero para espesores >30 nm, la absorción se estabiliza. En la Fig. 5b, los anillos tienen ancho de 2 μm, abertura de 2 μm, radios de 17 y 13 μm; disco de 9 μm; distancia de 2 μm. Con espesor de 10 nm se logra absorción de banda ancha en 4–7 THz (40–90%). Al aumentar el espesor, la banda se divide en dos picos independientes; aunque la absorción pico es muy alta, es difícil formar una banda ancha.

Respuesta a incidencia oblicua

La Figura 6 muestra la absorción de la estructura de doble anillo con disco (anillos: ancho 2 μm, abertura 2 μm, radios 17 y 13 μm; disco: radio 9 μm, espesor 10 nm; distancia 2 μm) para ángulos de incidencia de 0° (normal), 10°, 20°, 40°, 60° y 80°. Al aumentar el ángulo, las dos frecuencias de pico se desplazan ligeramente hacia frecuencias más bajas. Para ángulos <30°, el cambio en la absorción pico no es significativo; pero para ángulos >40°, la absorción disminuye considerablemente.

Conclusiones

Se han estudiado estructuras periódicas basadas en resonadores de anillo dividido de Al en arrays de micropuente con tamaño de unidad de 35 μm × 35 μm, con el objetivo de mejorar la absorción de onda THz y ampliar el ancho de banda de microbolómetros THz. La frecuencia de resonancia de los resonadores de anillo dividido viene determinada por el ancho de abertura y el ancho del anillo. Estructuras periódicas combinando anillos divididos y disco de Al se integran en arrays de micropuente. Acoplando los picos de absorción de las diferentes estructuras, el ancho de banda se incrementa eficazmente. Se logra alta absorción de onda THz en el rango de 4–7 THz con absorción de 40–90% mediante la estructura periódica de doble anillo combinada con disco. La estructura cumple los requisitos de los microbolómetros THz: tamaño de píxel pequeño, alta absorción y respuesta espectral amplia.

Métodos

Se realizaron simulaciones numéricas de elementos finitos usando CST Microwave Studio 2016. Se simuló una celda cúbica unitaria del array de microbolómetros THz de 35 μm × 35 μm (Fig. 1f). El vector de onda k se propagaba en dirección z con campo eléctrico perfecto en el plano x–z y campo magnético perfecto en el plano y–z. Se establecieron puertos de entrada y salida en las caras superior e inferior de la celda cúbica (puerto “1” y “2”). La simulación produjo parámetros S complejos dependientes de la frecuencia, a partir de los cuales se obtuvo la reflectancia R = |S₁₁|² en el puerto 1 y la transmitancia T = |S₂₁|² en el puerto 2 con condiciones de contorno periódicas (PBC) en direcciones x e y. La absorción se calculó como A = 1 − |S₁₁|² − |S₂₁|². Para las estructuras de las Figs. 1b–e, la capa de absorción de Al y la capa reflectora se modelaron con el modelo de Drude (frecuencia de plasma ω_p = 92,700 cm⁻¹, frecuencia de dispersión ω_τ = 408 cm⁻¹). Las capas de soporte y pasivación (espesor total 400 nm) se modelaron como película óptica de Si₃N₄ con permitividad de dispersión de modelo de segundo orden (ajuste) en CST y permeabilidad 1. La cavidad se modeló con permitividad 1 y permeabilidad 0 S/m.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos que respaldan las conclusiones de este artículo están incluidos en el mismo.

Abreviaturas

THz:

Terahercio

IR:

Infrarrojo

Al:

Aluminio

Si₃N₄:

Nitruro de silicio

VOₓ:

Óxido de vanadio

ROIC:

Circuito integrado de lectura

Si:

Silicio

PBC:

Condiciones de contorno periódicas