Amélioration de la modulation et de l'absorption de fréquence du microbolomètre THz avec structure en micropont par antennes de type spirale

Contexte

Rayonnement térahertz (THz) (0,1~10 THz, 1 THz = 10 ¹² Hz), dont il a été prouvé qu'il possède des caractéristiques spectrales uniques de large bande, de faible pénétration d'énergie et d'absorption spectrale [1, 2], est attrayant pour sa grande variété d'applications en spectroscopie moléculaire [3], le diagnostic des maladies [4], la détection et l'imagerie [5, 6]. Cependant, cette gamme de fréquences n'a pas été pleinement exploitée à ce jour, limitée par le manque de sources et de détecteurs accordés en THz. Au cours des 20 dernières années, les développements de l'électronique ultrarapide, de la technologie laser et de la technologie des semi-conducteurs à petite échelle ont fourni des moyens efficaces pour l'émission et la détection d'ondes THz. Les lasers à cascade quantique (QCL) peuvent émettre une émission de ligne à des fréquences accordables [7, 8] tandis que le CO₂ infrarouge lointain Le laser à gaz émettant une onde de 2,52 THz fournit une puissance de rayonnement beaucoup plus élevée [9]. Actuellement, les détecteurs THz sont principalement basés sur deux types d'effets qui permettent de mesurer directement les signaux THz :l'effet photon et l'effet photothermique. Le détecteur de photons fonctionne sur la base de l'effet photoélectrique du rayonnement THz absorbé, y compris les détecteurs à jonction tunnel supraconducteur-isolant-supraconducteur (SIS) [10] et à puits quantique (QW) fonctionnant en mode photoconducteur ou photovoltaïque [11,12,13,14] . Les détecteurs de photons ont une sensibilité élevée et un temps de réponse court, mais ils sont sélectifs en longueur d'onde et nécessitent souvent une réfrigération. Les détecteurs photothermiques, tels que les détecteurs pyroélectriques à température ambiante [15] et les microbolomètres [8, 9], absorbent l'énergie du rayonnement THz et la convertissent en résistivité ou en changements spontanés de polarisation des films thermosensibles. Un détecteur micro-bolomètre peut fonctionner à température ambiante avec une réponse en longueur d'onde large et présente de grands avantages en termes d'intégration de réseau et de coût par rapport aux détecteurs pyroélectriques. Le développement du détecteur micro-bolomètre THz bénéficie de la technologie mature du micro-bolomètre infrarouge (IR) avec le même mécanisme de conversion thermique. Plus récemment, des recherches théoriques et une vérification expérimentale des systèmes de détection et d'imagerie THz ont été rapportées sur la base de réseaux plan focal de micro-bolomètres IR (FPA) équipés de sources d'éclairage appropriées [7, 16]. Cependant, ces détecteurs IR avec des structures de micro-pont traditionnelles ont une faible sensibilité dans la gamme THz en raison d'une mauvaise absorption du rayonnement THz [17].

Certaines améliorations ont été apportées pour améliorer l'absorption THz de la structure de micro-pont micro-bolomètre traditionnelle. Le film mince métallique d'adaptation d'impédance, dont il a été prouvé qu'il absorbe l'onde THz en raison de la perte résistive, est le premier choix comme couche absorbante dans les structures de micro-pont pour sa faible capacité thermique, sa conductivité thermique élevée et sa bonne compatibilité avec le processus de fabrication de micro-THz. bolomètres [18, 19]. L'absorption du film mince métallique peut être encore améliorée par le contrôle du processus de préparation et la modification de la surface [20]. Cependant, l'effet d'absorption d'un film mince métallique unique est limité avec un taux d'absorption idéal de 50 % [21]. L'absorbeur de métamatériau et l'antenne accordés à la fréquence de l'illuminateur peuvent être intégrés dans des bolomètres pour une absorption élevée due à la perte ohmique et à la perte diélectrique dans la structure [22, 23]. La structure de micro-pont couplée à l'antenne s'est avérée être un moyen plus efficace d'obtenir une absorption et une sensibilité élevées pour sa meilleure compatibilité dans l'intégration avec les micro-bolomètres. L'antenne fournit une absorption élevée de l'onde THz, tandis que la structure en micro-pont assure une détection thermique haute performance. Oxyde de vanadium couplé à l'antenne (VO_x ) un bolomètre à couche mince fonctionnant à 94 GHz [24] et un microbolomètre à FET à oxyde métallique et semi-conducteur couplé à une antenne (MOSFET) sensible à 0,5 ~ 1,5 THz [25, 26] sont rapportés. L'imagerie en temps réel à 2,5 THz a été développée par le CEA-Leti à l'aide de microbolomètres FPA couplés à une antenne avec un QCL comme source de rayonnement THz [27]. Dans la plupart des cas, des structures d'antenne planaires sont adoptées pour une grande zone d'absorption et un processus de fabrication simple. Cependant, les antennes filaires avec un volume en vrac plus petit sont préférables aux antennes planes pour un taux de chauffage plus rapide qui conduit à un temps de réponse thermique plus faible [28].

Dans nos recherches antérieures [29], une antenne filaire de type spirale a été introduite dans une structure de micro-pont micro-bolomètre de 35 μm × 35 μm, et un nouveau type d'antenne spirale avec des jambes allongées a été proposé à titre préliminaire pour une meilleure absorption de l'onde de 2,52 THz. . Cependant, une conception optimisée de la structure de l'antenne et des discussions détaillées sur ses caractéristiques d'absorption THz, d'effet photothermique et de processus de fabrication n'ont pas été réalisées. Dans cet article, basé sur une structure de micro-pont avec une taille beaucoup plus petite de 25 μm × 25 μm, trois types d'antennes de type spirale sont proposés pour l'amélioration de l'absorption THz et la modulation de la fréquence d'absorption avec une seule antenne linéaire séparée, deux antennes linéaires séparées , ou deux antennes linéaires connectées sur les pattes du pont, en plus de l'antenne traditionnelle de type spirale sur la couche de support. En optimisant les paramètres structurels et en analysant les caractéristiques d'absorption pour chaque type d'antenne, des schémas préférés de structures de micro-pont couplées à l'antenne sont obtenus pour un large pic d'absorption proche de 2,52 THz ou une absorption stable à 2,52 THz avec une intégration élevée, un processus de fabrication simplifié et vitesse de chauffe rapide.

Résultats et discussion

Les antennes de type spirale ont été conçues pour l'amélioration de l'absorption et la modulation des FPA de microbolomètre THz basées sur des structures de micro-pont avec une fréquence cible de 2,52 THz. Un seul pixel dans les FPA avec un espacement des pixels de 25 μm, illustré à la Fig. 1a, est composé d'une zone sensible centrale d'une taille d'environ 20 μm × 20 μm et de deux longues pattes qui soutiennent la zone sensible. La zone sensible est constituée de films multicouches dont une couche support en nitrure de silicium 0,4 μm (Si₃ N₄ ) film, couche thermosensible (VO_x film mince) d'une épaisseur de 70 nm, et une antenne de type spirale faisant office de couche d'absorption THz constituée d'un film mince d'aluminium (Al) de 0,05 μm. Un film mince de nickel-chrome (NiCr) d'une épaisseur de 0,2 μm est placé sous la zone sensible en tant que couche de réflexion pour former une cavité résonante de 2 μm de haut pour une absorption optimisée du rayonnement IR et une isolation thermique du rayonnement THz. La structure d'antenne de type spirale est située sur le Si₃ N₄ couche de support et limitée à un diamètre extérieur de 18 μm. Dans le but de limiter la taille de la couche de support, en plus de l'antenne de type spirale traditionnelle sur la couche de support illustrée sur la figure 1b, de nouvelles structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale sont proposées. Des antennes linéaires sont introduites et intégrées sur les pattes du pont, ce qui entraîne une augmentation des zones des antennes originales de type spirale sur la couche de support. La figure 1c–e montre des antennes de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée, deux antennes linéaires séparées et deux antennes linéaires connectées sur les pattes du pont, respectivement.

Conception de structures de micro-ponts couplés à des antennes de type spirale. un Modèle de structure de micro-pont. b Antenne de type spirale sur la couche support. c Antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée sur l'une des pattes du pont. d Antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées sur les pieds du pont. e Antenne de type spirale avec deux antennes linéaires connectées sur les pieds du pont. f Directions du champ électrique et du champ magnétique pour la lumière incidente verticale

Antenne de type spirale sur la couche de support

La structure traditionnelle de micro-pont couplée à une antenne de type spirale, illustrée à la Fig. 1b, a d'abord été étudiée avec l'antenne sur la couche de support. Les paramètres structurels (indiqués sur la Fig. 1b) de l'antenne de type spirale ont été optimisés et l'influence de chaque paramètre sur les caractéristiques d'absorption THz a été discutée.

Pour antenne de type spirale sur la couche de support avec une largeur de ligne d'antenne de 1 μm et un angle de rotation (l'angle de rotation à partir du centre de l'antenne) de 360*n (n changements de 0,5 ~ 2,0), les variations de la position du pic d'absorption et du taux d'absorption de pic des structures de micro-pont couplées à l'antenne avec n sont illustrés dans les Fig. 2a, b, respectivement.

Courbes de variation de la position du pic d'absorption (a ) et le taux d'absorption de pointe (b ) et les courbes d'absorption des ondes THz (c ) de structures de micro-ponts avec différents angles de rotation (360*n ) d'antennes de type spirale sur la couche support

On peut voir à partir de la Fig. 2a, b que la fréquence d'absorption maximale et le taux d'absorption maximal diminuent lorsque n augmente de 0,5 à 0,9. Le taux d'absorption de pointe diminue à 65 % à 4,1 THz lorsque n = 0,9 puis augmente jusqu'à 90 % à 3,5 THz lorsque n = 1. Lorsque n = 1~1,5, la fréquence d'absorption maximale et le taux d'absorption maximal continuent de diminuer avec l'augmentation de l'angle de rotation. La fréquence d'absorption maximale diminue à 2,64 THz lorsque n = 1,5 ; cependant, le taux d'absorption de pointe diminue à 22,8 %. Une absorption de 30 % est obtenue à 2,53 THz lorsque n = 1.6. La fréquence d'absorption de crête minimale se produit à 2,39 THz lorsque n = 1,7, puis la fréquence d'absorption augmente jusqu'à 4,45 THz lorsque n = 1.8. Lorsque n =  1,8 ~ 2, la fréquence d'absorption maximale diminue à nouveau tandis que le taux d'absorption maximal augmente avec l'augmentation de l'angle de rotation. La figure 2a suggère que la fréquence d'absorption continue de diminuer avec l'augmentation de l'angle de rotation dans plusieurs plages différentes, y compris n = 0,5~1, n = 1.1~1.7, et n = 1.8~2. Le taux d'absorption de pointe continue également de diminuer lorsque n = 0,5~0,9, n = 1~1,5, et n = 1.6~1.7. Antennes avec des angles de rotation plus grands (360*n ) lorsque n> 2 ne sont pas pris en compte en raison de la limitation de la taille de la couche de support. Les courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-ponts sont illustrées à la Fig. 2c avec différents angles de rotation (360*n , n = 1.1~1.7) d'antennes de type spirale sur la couche support. Chaque courbe d'absorption a plusieurs pics d'absorption le long de l'axe des fréquences, et le pic d'absorption à la fréquence la plus basse est utilisé pour tracer les Fig. 2a, b visant à optimiser l'absorption de l'onde de 2,52 THz rayonnée par le CO_{2 laser à gaz. La figure 2 indique qu'un pic d'absorption est obtenu près de 2,52 THz lorsque n = 1.6 avec un faible taux d'absorption de 30%.}

La figure 3a, b montre les courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-pont avec une antenne de type spirale sur la couche de support lorsque n = 1.6 avec une largeur de ligne différente (w ) et l'espacement (g ), respectivement. On peut voir que la fréquence d'absorption maximale diminue de manière significative, tandis que le taux d'absorption maximal augmente lentement avec l'augmentation de la largeur et de l'espacement des lignes. Une conclusion similaire est obtenue lorsque n = 1.1. L'augmentation de la largeur et de l'espacement des lignes entraîne une augmentation de la taille de l'antenne. Il semble que l'augmentation de la surface de l'antenne soit propice à réduire la fréquence d'absorption mais elle ne contribue pas beaucoup au taux d'absorption.

Courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-ponts avec antenne de type spirale sur la couche support lorsque n = 1.6 avec une largeur de ligne différente (a ) et des espacements différents (b )

Une absorption plus faible près de 2,52 THz est obtenue pour une structure de micro-pont couplée à une antenne de type spirale avec une taille de pixel de 25 μm × 25 μm en raison d'une taille de pixel plus petite par rapport à la structure de pixel de 35 μm × 35 μm rapportée dans [29] qui fournit un taux d'absorption plus élevé de 45 % à 2,77 THz lorsque n = 1,1 et 46 % à 2,99 THz lorsque n = 2.1. Comme nous l'avons précédemment conclu, augmenter la surface de l'antenne est un moyen efficace pour la modulation de fréquence d'absorption, mais il est limité par la taille de la couche de support et il devient plus sévère pour un pixel de 25 μm × 25 μm.

Antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée sur l'une des pattes du pont

Les pattes de la structure en micro-pont jouent les rôles de support mécanique et de canaux électriques et thermiques. De longues pattes de pont peuvent fournir une faible conductivité thermique et améliorer les performances d'isolation thermique de la structure du micro-pont. Cependant, il réduit également la taille effective de la zone sensible, limitant la taille du film ou des structures absorbantes. Afin d'atteindre un taux d'absorption élevé à basse fréquence, des antennes linéaires sont introduites sur les jambes de pont pour une surface accrue des antennes. La figure 1c montre une antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée sur l'un des pieds du pont.

Notre recherche a indiqué que le port de l'antenne linéaire sur la jambe de pont près du côté de la zone sensible avait un fort effet d'absorption de couplage. Nous définissons donc l'angle de rotation sur 360*n (n = 1.1 et n = 1.6), la largeur de ligne de l'antenne à 1 μm et l'espacement à 2,5 μm (n = 1.1) et 1.4 μm (n = 1.6) et ajusté la distance (i , indiqué sur la Fig. 1c avec un dessin agrandi partiel) entre le port d'antenne sur la jambe de pont et la connexion entre la jambe de pont et la zone sensible. Courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée sur l'une des pattes du pont pour différentes positions d'antenne linéaire lorsque n = 1.1 et n = 1.6 sont montrés dans la Fig. 4a, b, respectivement.

Courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée sur l'une des pattes du pont lorsque n = 1.1 (a ) et n = 1.6 (b ) pour différentes positions d'antenne linéaire

Comme le montre la figure 4a, un nouveau pic d'absorption apparaît à une fréquence plus basse lorsque l'antenne sur la branche du pont est introduite, en plus du pic d'absorption d'origine proche de 3,5 THz. Lorsque le port d'antenne sur le pied du pont se rapproche de la zone sensible (i passe de − 2,5 à 2 μm), l'absorption à une fréquence plus élevée reste à peu près la même, tandis que le taux d'absorption de crête et la fréquence d'absorption diminuent à une fréquence plus basse. Il devient clair que l'antenne sur la jambe de pont contribue à l'absorption à basse fréquence. Les courbes d'absorption des antennes de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée lorsque n =1,6, illustré à la Fig. 4b, indique un large pic d'absorption proche de 2,52 THz. En effet, les pics d'absorption de l'antenne de type spirale sur la couche de support et celui de l'antenne sur la jambe de pont se produisent en position rapprochée. En tant que i passe de - 2,5 à - 1 μm, les deux pics d'absorption se rapprochent et élargissent la bande d'absorption. Une large absorption de plus de 40 % peut être obtenue dans une bande passante de 0,4 THz lorsque i = − 1,5 et un seul pic d'absorption large est obtenu avec une demi-largeur de pic de 0,3 THz lorsque i = − 1.

Antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées sur les pieds du pont

Pour une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées, illustrées à la Fig. 1d, courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale pour différentes positions d'antenne linéaire lorsque n = 1.1 et n = 1,6, avec les mêmes réglages d'autres paramètres de structure, y compris la largeur et l'espacement des lignes, sont illustrés respectivement aux Fig. 5a, b. Les variations de l'absorption THz ont la même tendance en général que celle de l'antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée illustrée à la Fig. 4. Les deux jambes de la structure du micro-pont sont toutes deux utilisées pour préparer les antennes, de sorte que la zone de l'antenne est encore agrandie. Cela se traduit par un taux d'absorption beaucoup plus élevé (plus de 90 %) à une fréquence inférieure lorsque n = 1,1 comme indiqué sur la Fig. 5a par rapport à celui d'une antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée. L'introduction d'antennes sur les jambes de pont augmente également l'absorption à la fréquence plus élevée d'origine. De larges pics d'absorption sont également obtenus sur la figure 5b lorsque n = 1.6 et les absorptions sont significativement améliorées. On peut conclure que l'antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées sur les jambes du pont lorsque n = 1.6 est plus adapté pour être utilisé dans les FPA micro-bolomètre THz basés sur des structures de micro-pont en raison de son absorption plus élevée dans une bande plus large.

Courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées sur les pattes du pont lorsque n = 1.1 (a ) et n = 1.6 (b ) pour différentes positions d'antenne linéaire

La figure 6 montre les diagrammes de densité d'énergie du champ électrique et du champ magnétique pour les trois types de structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale conçues auparavant. On peut voir sur la Fig. 6a, b que pour l'antenne de type spirale sur la couche de support, l'absorption de l'énergie du champ électrique se produit principalement au centre et aux deux extrémités de l'antenne de type spirale tandis que la ligne d'antenne contribue à la majeure partie de l'absorption. de l'énergie du champ magnétique, ce qui est en accord avec nos études antérieures rapportées dans [29]. La figure 6c, d montre qu'un fort effet d'absorption de couplage de l'énergie du champ électrique se produit au niveau du port de l'antenne linéaire séparée unique sur le pied du pont près du côté de la zone sensible, et l'antenne sur le pied contribue également à l'absorption de l'énergie du champ magnétique . Des phénomènes similaires peuvent être observés pour une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires distinctes sur les pattes du pont, comme indiqué sur les Fig. 6e, f. L'absorption de l'énergie du champ électrique et de l'énergie du champ magnétique est augmentée dans la zone d'absorption et améliorée en intensité d'absorption en raison de la zone d'antenne agrandie. La figure 6g, h montre la distribution de la perte de puissance dans la structure du micro-pont couplée à une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées sur les pattes du pont lorsque n = 1.6 et i = − 2 respectivement en vue de dessus et de côté. Il ressort clairement de la figure 6h que la perte de puissance est confinée presque entièrement dans la zone sensible centrale, ce qui est propice à l'élévation de température du VO_x thermosensible. film mince intégré dans la zone sensible centrale. La perte de puissance induite par l'antenne centrale de type spirale se produit principalement dans la couche d'antenne, tandis que la plupart des pertes causées par des antennes linéaires séparées sur les pattes du pont se produisent dans le Si₃ N₄ couche de soutien. Cela signifie que le pic d'absorption à une fréquence plus élevée de la Fig. 5a est causé par la perte ohmique de l'antenne centrale de type spirale tandis que le pic d'absorption à une fréquence plus basse est attribué à des antennes linéaires séparées sur les jambes du pont en raison de la perte diélectrique, qui contribue à former un large pic d'absorption comme le montre la figure 5b. Sur la base des coefficients de transmission et de réflexion (S paramètres) de la structure, les données de diffusion peuvent être inversées pour déterminer l'indice de réfraction (n ) et l'impédance (z ), à partir desquelles des valeurs auto-cohérentes pour une permittivité effective (ε ) et la perméabilité (μ ) peut être obtenu [30]. La figure 7a, b montre les parties réelles et imaginaires de la perméabilité et de la permittivité effectives en fonction de la fréquence pour la structure du micro-pont couplée à une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées lorsque n = 1.6 et i = − 2, respectivement. On peut voir sur la figure 7 que des résonances évidentes se produisent autour de 2,52 THz, ce qui induit la perte de rayonnement THz et les deux pics d'absorption comme indiqué sur la figure 5b.

Distribution de la densité d'énergie du champ électrique, de la densité d'énergie du champ magnétique et de la perte de puissance. Diagrammes de densité énergétique du champ électrique (a ) et le champ magnétique (b ) pour antenne de type spirale sur la couche support lorsque n = 1,6 ; diagrammes de densité d'énergie du champ électrique (c ) et le champ magnétique (d ) pour une antenne de type spirale avec une seule antenne linéaire séparée lorsque n = 1.6 et i = − 2; diagrammes de densité d'énergie du champ électrique (e ) et champ magnétique (f ) pour une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées lorsque n = 1.6 et i = − 2; distribution de perte de puissance dans la structure de micro-pont couplée à une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées lorsque n = 1.6 et i = − 2 vue de dessus (g ) et vue de côté (h )

Parties réelles et imaginaires de la perméabilité effective (a ) et permittivité (b ) en fonction de la fréquence pour une structure en micro-pont couplée à une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires distinctes lorsque n = 1.6 et i = − 2

Antenne de type spirale avec deux antennes linéaires connectées sur les pieds du pont

Un autre type d'antenne de type spirale, illustré à la Fig. 1e, a été proposé avec deux antennes linéaires connectées sur les pattes du pont. La figure 8 montre les courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale lorsque n = 1.6, g (espacement) = 1.4 μm pour différentes largeurs de ligne (f ). Deux pics d'absorption apparents sont observés sur la figure 8. La position d'absorption du pic se déplace lentement vers une fréquence plus basse avec l'augmentation de la largeur de la ligne d'antenne, tandis que le taux d'absorption de pic change peu. Une absorption d'environ 70 % est obtenue à 2,52 THz lorsque f = 1 μm, et le taux d'absorption de chaque courbe à 2,52 THz lorsque f = 0,8~ 1,1 μm est supérieur à 50 %. Cela indique que la différence de largeur de la ligne d'antenne qui peut être causée par le processus de fabrication a peu d'influence sur l'absorption THz, ce qui est propice à la conception de structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale et réduit la difficulté de fabrication et de réalisation des structures conçues pour une plus grande redondance est autorisée.

Courbes d'absorption des ondes THz des structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires connectées sur les pattes du pont pour différentes largeurs de ligne (f )

La figure 9 montre les diagrammes de densité d'énergie du champ électrique et du champ magnétique pour une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires connectées sur les pattes du pont lorsque la largeur de ligne est de 1 μm. La zone d'absorption de l'énergie du champ électrique, illustrée à la Fig. 9a, se produit principalement dans la zone sensible et la zone de connexion entre les pattes du pont et la zone sensible. L'absorption de l'énergie du champ magnétique, illustrée à la Fig. 9b, est principalement attribuée à la contribution de l'antenne sur la couche de support. La majeure partie de l'absorption se produit sur la couche de support et peut être transformée en élévation de température du VO_x film mince.

Diagrammes de densité énergétique du champ électrique (a ) et le champ magnétique (b ) pour les structures de micro-pont couplées à une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires connectées sur les pattes du pont et une largeur de ligne de 1 μm

La conception d'une antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées ou deux antennes linéaires connectées sur les pattes du pont, illustrée à la Fig. 1d, e, est une bonne solution pour un taux d'absorption élevé à une faible fréquence d'absorption de 2,52 THz lorsque l'angle de rotation est réglé sur 360*n (n = 1.6). L'antenne de type spirale avec deux antennes linéaires séparées fournit un pic d'absorption large proche de 2,52 THz, tandis que l'antenne de type spirale avec deux antennes linéaires connectées a un pic d'absorption relativement stable avec le changement de la largeur de la ligne d'antenne. Un autre avantage de l'antenne de type spirale avec deux antennes linéaires connectées est que l'antenne peut servir de fil d'électrode pour une intégration élevée et une simplification du processus puisque l'antenne et la couche de fil d'électrode peuvent être fabriquées par un processus de photolithographie et de motif en une seule étape. Cela fournit une structure de micro-pont couplée à une antenne de type spirale hautement intégrée avec une absorption élevée à 2,52 THz et un moyen hautement compatible et simplifié de réaliser la structure.

Pour le détecteur THz avec structure en micro-pont couplée à une antenne, le temps de réponse thermique (τ ) dépend de sa conductance thermique effective (G _eff ) et la capacité calorifique totale (C _tot ) via τ = C _tot /G _eff . G _eff est défini via G _eff = G _jambe − αV _biais Je ₀ , où α est le coefficient de température du courant et V _biais et Je ₀ sont respectivement la tension et le courant de polarisation du détecteur [31]. G _jambe = 2σ _ème Un /l est la conductance thermique des jambes du pont, où σ _ème est la conductivité thermique de la jambe et A et l sont respectivement la section transversale et la longueur des jambes du pont. Il est multiplié par 2 car il y a deux jambes. Pour une structure de micro-pont définie, la conduction thermique des jambes de pont est fixe ; G _eff serait également corrigé [32]. τ sera déterminé par C _tot , qui est la capacité calorifique totale de l'antenne et de la structure du micro-pont, y compris la charge telle que C _tot = C _fourmi + C _pont . La capacité calorifique de l'antenne est définie via C _fourmi = c _fourmi ρ _fourmi V _fourmi , où c _fourmi est la chaleur spécifique de l'antenne, ρ _fourmi est la masse volumique de l'antenne, et V _fourmi est le volume de l'antenne. C _pont est défini de manière similaire à C _fourmi . On peut conclure que C _tot est principalement limité par le volume de l'antenne (V _fourmi ) pour un matériau d'antenne défini sur une structure de micro-pont fixe. C'est pourquoi nous prévoyons de réduire le volume de l'antenne en utilisant des antennes linéaires plutôt que des antennes planes pour obtenir un temps de réponse thermique plus faible. Pour la structure de micro-pont couplée à une antenne conçue dans cet article avec une seule couche métallique agissant à la fois comme couche de plomb d'antenne et d'électrode, la capacité thermique totale est encore réduite pour C _tot ≈ C _pont . En supposant que la zone sensible centrale d'une structure de micro-pont est constituée de Si₃ N₄ film d'une taille d'environ 20 μm × 20 μm et d'une épaisseur de 0,4 μm, et la couche d'antenne est constituée d'un film mince d'Al d'une épaisseur de 0,05 μm et couvre 1/3 de la zone sensible, la capacité thermique de Si3 N₄ le film et l'antenne Al peuvent être calculés depuis la capacité thermique spécifique et la densité de masse de PECVD Si₃ N₄ film sont 0,17 J/(g*K) et 2500 Kg/m ³ , tandis que celles des couches minces d'Al sont de 0.91 J/(g*K) et de 2700 Kg/m ³ , respectivement. Les résultats suggèrent que pour la structure de micro-pont couplée à une antenne avec une seule antenne et une seule couche de conducteur d'électrode, la capacité thermique totale peut être réduite à 83,7% de la structure de micro-pont traditionnelle avec deux couches métalliques servant d'antenne et de conducteur d'électrode. couche séparément, et le temps de réponse thermique peut être réduit de 16,3 % sous la même conductivité thermique de la structure du micro-pont. Cela offre la possibilité d'applications dans les détecteurs micro-bolomètre THz hautes performances avec une réponse rapide.

Conclusions

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 avion. 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 N₄ 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.

Abréviations

FET:

Field effect transistors

FPA:

Focal plane array

IR :

Infrarouge

MOSFET:

Metal-oxide-semiconductor FET

NiCr:

Nickel–chromium

PBC:

Periodic boundary conditions

QCL:

Quantum cascade lasers

QW:

Quantum well

Si₃ N₄ :

Silicon nitride

SIS:

Superconductor–insulator–superconductor tunnel junction

THz:

Terahertz

VO_x :

Vanadium oxide