Absorption à large bande THz d'un réseau de microbolomètres intégré avec des résonateurs à anneau fendu

Introduction

L'onde térahertz (THz) avec une longueur d'onde de 30 μm à 3 mm est une partie très importante mais rarement explorée du spectre électromagnétique. Les applications de la technologie THz comprennent le filtrage de sécurité [1, 2], la médecine [3, 4], la communication [5, 6] et l'astronomie [7]. La technologie THz a connu d'énormes progrès ces dernières années en raison du développement de sources et de dispositifs de génération et de détection d'ondes THz [8, 9]. Les détecteurs THz sont principalement basés sur l'effet photoélectrique et l'effet thermique. Les détecteurs de photons tels que les bolomètres supraconducteurs peuvent être utilisés pour la détection à haute sensibilité et à grande vitesse [10, 11] ; cependant, il doit être refroidi à une température extrêmement basse. Les détecteurs bolométriques thermiques qui absorbent l'onde THz et provoquent un changement de température du film thermosensible peuvent fonctionner à température ambiante et présentent de grands avantages dans l'intégration de réseaux à grande échelle, une configuration simple et un faible coût [12,13,14]. La matrice de microbolomètres THz est composée de pixels avec une structure de micro-pont, qui est développée à partir de la technologie de microbolomètre infrarouge (IR) mature avec le même mécanisme de conversion thermique équipé d'une source THz. Un inconvénient critique de la structure de micro-pont classique est sa mauvaise absorption de l'onde THz, ce qui entraîne une faible sensibilité. Certaines améliorations ont été apportées à la structure du micro-pont pour une absorption THz améliorée, notamment l'intégration d'un film mince métallique d'adaptation d'impédance et d'une antenne accordée à la fréquence cible [15,16,17,18]. Cependant, le film mince métallique présente une absorption limitée (≤  50 %), tandis que la structure de micro-pont couplée à une antenne a généralement un pic d'absorption étroit de l'onde THz. Afin d'obtenir une absorption THz élevée dans une large gamme de spectre, une fine couche diélectrique et une fine couche métallique peuvent être ajoutées sur la surface supérieure d'un absorbeur à trois couches conventionnel [19]. La méthode à couplage de phase et la réponse de couplage forte peuvent également améliorer la bande passante d'absorption ou réaliser une absorption multibande [20,21,22,23]. Cependant, la plupart des structures ne peuvent pas être intégrées dans les petits pixels avec des structures à micro-ponts du réseau de microbolomètres THz sans sacrifier les propriétés thermiques et mécaniques.

Le résonateur en anneau fendu est une structure largement étudiée pour manipuler les ondes électromagnétiques en excitant le plasmon de surface piégé dans la structure périodique [24, 25]. Dans cet article, dans le but d'améliorer l'absorption du réseau de microbolomètres THz, un anneau fendu métallique avec quatre ouvertures est intégré dans la structure du micro-pont avec une petite taille de 35 μm × 35 μm. Pour augmenter la bande passante d'absorption, des structures périodiques de résonateurs à anneau fendu combinés avec un autre anneau fendu et un disque métallique sont étudiées. L'absorption à large bande THz est obtenue en couplant les pics d'absorption de différentes structures. La structure à double anneau combinée à un disque en aluminium (Al) fournit une absorption d'onde THz à large bande dans la plage de 4 à 7 THz avec l'absorption la plus élevée de 90 % et l'absorption la plus faible supérieure à 40 %. La méthode à couplage de phase et la réponse de couplage forte peuvent également améliorer la bande passante ou la réalisation de l'absorption multibande.

Résultats et discussion

Le réseau de microbolomètres THz est composé de nombreux pixels de structure de micro-pont dans une disposition répétée en deux dimensions sur le plan focal. Chaque pixel mesure indépendamment le rayonnement THz. La structure du micro-pont est illustrée sur la figure 1a, qui se compose d'un film multicouche sensible et de deux pattes supportant le film. Le film multicouche comprend une couche support de 250 nm (nitrure de silicium, Si₃ N₄ ), un film thermosensible de 60 nm (oxyde de vanadium, VO_x ), une couche de passivation à 150 nm (Si₃ N₄ ) et une couche d'absorption des ondes THz (Al) de bas en haut. Les pieds sont utilisés pour le support mécanique, les canaux électriques et thermiques. VO _x Le film est connecté à travers les jambes avec les électrodes du circuit de lecture (ROIC) intégrées dans le substrat de silicium (Si). L'onde THz absorbée par la couche d'absorption provoque un changement de température du film multicouche et un changement de résistance de VO_x film qui est détecté par ROIC. Une cavité de 2 μm de haut pour l'isolation thermique est formée entre la couche réfléchissante (Al) d'une épaisseur de 400 nm sur substrat Si et le film multicouche sensible. Dans cet article, l'anneau fendu avec quatre ouvertures, comme illustré sur la figure 1b, est intégré dans la structure de micro-pont en tant que couche d'absorption THz. Afin d'augmenter la bande passante d'absorption THz, une structure à double anneau comme illustré à la Fig. 1c, un anneau fendu combiné à un disque d'Al comme illustré à la Fig. 1d et une structure à double anneau combinée à un disque d'Al comme illustré à la Fig. 1e sont également étudiés.

Conception d'une structure en micro-pont couplée à des résonateurs à bague fendue. un Vue en coupe de la structure du micro-pont. b Anneau fendu à quatre ouvertures. c Structure à double anneau. d Une bague fendue associée à un disque Al. e Structure à double anneau associée à un disque Al. f Une seule cellule unitaire de réseau de microbolomètres THz éclairée par une lumière incidente verticale

La figure 2a montre l'absorption des ondes THz de structures périodiques en anneau fendu avec différentes largeurs d'ouverture (s ). Les bagues fendues ont un rayon extérieur de 15 μm, un rayon intérieur de 10 μm et une épaisseur de 10 nm. Lorsque la largeur d'ouverture des anneaux fendus est de 1 μm, 2 μm, 4 μm et 6 μm, la fréquence d'absorption de résonance est de 5 THz, 5,7 THz, 6,2 THz et 7,1 THz, respectivement. Le pic d'absorption de chaque structure est d'environ 100 %. Avec l'augmentation de la largeur d'ouverture, la fréquence d'absorption de résonance augmente. Les ouvertures de la bague fendue peuvent être considérées comme une capacité équivalente (C ) tandis que la partie annulaire métallique de la bague fendue peut être considérée comme une inductance équivalente (L ) et la fréquence de résonance (\(\omega\)) peut être exprimée sous la forme \(\omega =\frac{1}{\sqrt{LC}}\). L'augmentation de la largeur d'ouverture entraîne la réduction de la capacité équivalente et l'augmentation de la fréquence de résonance. Par conséquent, une absorption de résonance élevée à une fréquence inférieure peut être obtenue avec une largeur d'ouverture plus petite de l'anneau fendu. La figure 2b montre l'absorption des ondes THz des structures périodiques en anneau fendu avec différentes largeurs d'anneau (d ). Les bagues fendues ont un rayon extérieur de 15 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm. On peut voir qu'avec la diminution de la largeur de l'anneau, la fréquence d'absorption de résonance et le pic d'absorption diminuent. Le pic d'absorption atteint 100 % à 5,7 THz et 97 % à 5,3 THz avec une largeur d'anneau de 5 μm et 3 μm, respectivement. Lorsque la largeur de l'anneau est de 1 μm, la fréquence d'absorption de résonance est de 5 THz et le pic d'absorption diminue jusqu'à 60 %. La diminution de la fréquence d'absorption de résonance est attribuée à l'augmentation de l'inductance équivalente à mesure que la largeur de l'anneau diminue.

un Absorption des ondes THz des structures périodiques en anneau fendu avec différentes largeurs d'ouverture (s ). Les bagues fendues ont un rayon extérieur de 15 μm, un rayon intérieur de 10 μm et une épaisseur de 10 nm. b Absorption des ondes THz de structures périodiques en anneau fendu avec différentes largeurs d'anneau (d ). Les bagues fendues ont un rayon extérieur de 15 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm

La structure périodique en anneau fendu peut fournir une absorption d'onde THz élevée à la fréquence de résonance. Cependant, le pic d'absorption est étroit. Afin d'augmenter la bande passante d'absorption, des structures périodiques de plusieurs combinaisons différentes d'anneaux fendus et de disques d'aluminium sont intégrées dans des réseaux de structures de micro-ponts. La figure 3a montre l'absorption des ondes THz des structures périodiques à double anneau avec un rayon externe différent de l'anneau fendu interne (r _je ). La structure à double anneau a une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm. Le rayon extérieur de la bague fendue extérieure est de 17 μm et la largeur des deux bagues fendues est de 2 μm. Les structures à double anneau ont deux pics d'absorption. À mesure que le rayon extérieur de l'anneau fendu intérieur augmente de 11 à 13 μm, une fréquence d'absorption de résonance reste inchangée à 3,3 THz tandis que l'autre fréquence d'absorption de résonance diminue de 5,1 à 4,3 THz. Les pics d'absorption à basse fréquence et à haute fréquence sont, respectivement, contribués par l'anneau fendu externe et l'anneau fendu interne. Au fur et à mesure que les deux anneaux fendus se rapprochent, les deux pics d'absorption sont couplés l'un à l'autre et forment une bande d'absorption plus large. Cependant, cette structure présente une absorption relativement faible de 25 à 55 % dans la bande d'absorption de 3,2 à 5,2 THz.

un Absorption des ondes THz des structures périodiques à double anneau avec différents rayons externes de l'anneau fendu interne (r _je ). Les structures à double anneau ont une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm. Le rayon extérieur de la bague fendue extérieure est de 17 μm et la largeur des deux bagues fendues est de 2 μm. b Absorption des ondes THz des structures périodiques d'une combinaison d'un anneau fendu et d'un disque en Al avec des rayons différents du disque (r _d ). Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. L'anneau fendu a un rayon extérieur de 17 μm, une largeur d'anneau de 2 μm et une largeur d'ouverture de 2 μm. c Absorption des ondes THz des structures périodiques d'une combinaison de deux anneaux fendus et d'un disque en Al avec des rayons différents du disque (r _d ). Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. Les deux anneaux brisés ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 14 μm, respectivement

Absorption des ondes THz des structures périodiques d'une combinaison d'un anneau fendu et d'un disque en Al avec des rayons différents du disque (r _d ) est illustré à la figure 3b. Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. L'anneau fendu a un rayon extérieur de 17 μm, une largeur d'anneau de 2 μm et une largeur d'ouverture de 2 μm. Les structures périodiques ont deux pics d'absorption. L'un des pics d'absorption est situé près de 4,3 THz, qui ne change pas avec le rayon du disque Al. Avec l'augmentation du rayon du disque de 6 à 12 μm, l'autre pic d'absorption à haute fréquence se déplace vers la direction de basse fréquence et le changement d'absorption de pic n'est pas significatif. Le pic d'absorption près de 4,3 THz est contribué par l'anneau fendu tandis que le pic d'absorption à une fréquence plus élevée se déplaçant avec le changement de structure du disque est contribué par le disque d'Al. Lorsque le rayon du disque est de 12 μm, une absorption large bande est obtenue avec une largeur d'environ 2 THz. La figure 3c montre l'absorption des ondes THz des structures périodiques d'une combinaison de deux anneaux fendus et d'un disque en Al avec différents rayons du disque (r _d ). Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. Les deux bagues fendues ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 14 μm, respectivement. La fréquence d'absorption de résonance est d'environ 4,2 THz pour l'anneau fendu externe et entre 5,5 et 6 THz pour l'anneau fendu interne. Lorsque le rayon du disque Al est de 7 μm, le pic d'absorption de résonance est à 8,2 THz. Lorsque le rayon du disque est de 9 μm, son pic d'absorption passe à 6,5 THz et se couple avec le pic d'absorption de la bague fendue interne. La structure périodique d'une combinaison de deux anneaux fendus et d'un disque en Al fournit une absorption à large bande de 4 à 7 THz. L'absorption la plus élevée dans la bande atteint 90 % et l'absorption la plus faible est supérieure à 40 %.

La figure 4 montre la distribution de la densité d'énergie du champ électrique, de la densité d'énergie du champ magnétique et de la perte de puissance dans la structure périodique à double anneau associée à un disque d'Al à différentes fréquences d'absorption de résonance. La structure périodique a une épaisseur de 10 nm. Les deux bagues fendues ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 14 μm, respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm. Comme le montre la figure 3c, cette structure périodique a quatre pics d'absorption aux fréquences de 4,28 THz, 5,74 THz, 6,5 THz et 8,5 THz. La distribution de la densité d'énergie du champ électrique, de la densité d'énergie du champ magnétique et de la perte de puissance aux quatre fréquences d'absorption de résonance montre les principales zones d'absorption de l'onde THz dans la structure. On peut voir que l'anneau fendu externe, l'anneau fendu interne et le disque contribuent principalement à l'absorption de résonance à 4,28 THz, 5,74 THz et 6,5 THz, respectivement. Cela confirme l'analyse précédente des pics d'absorption. Le faible pic d'absorption à 8,5 THz est attribué au couplage de structures périodiques. La figure 4d montre la vue en coupe de la distribution de la densité de champ électrique dans la structure périodique à double anneau associée à un disque d'aluminium à des fréquences d'absorption de résonance de 5,74 THz et 6,5 THz. Un fort champ électrique peut être observé au niveau de la couche métallique et de la couche diélectrique. L'absorption est principalement attribuée à la perte ohmique au niveau de la couche métallique et à la perte diélectrique au niveau de la couche diélectrique. 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.

Vue de dessus de la distribution de densité de champ électrique (a ), distribution de densité de champ magnétique (b ), perte de puissance (c ) et vue en coupe de la distribution de densité de champ électrique (d ) dans la structure périodique de deux anneaux fendus combinés à un disque d'Al à différentes fréquences d'absorption de résonance. La structure périodique a une épaisseur de 10 nm. Les deux bagues fendues ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 14 μm, respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm

Absorption des ondes THz des structures périodiques d'une combinaison de deux anneaux fendus et d'un disque d'Al avec différentes épaisseurs (t ) est illustré à la figure 5. Dans les structures périodiques de la figure 5a, les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 1 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 15 μm, respectivement. Le disque Al a un rayon de 13 μm. La distance entre les structures adjacentes est de 1 μm. Les pics d'absorption de différentes structures sont couplés entre eux et forment une large bande d'absorption. Au fur et à mesure que l'épaisseur de la couche d'absorption augmente, la largeur de bande d'absorption devient plus étroite. Cependant, lorsque l'épaisseur est supérieure à 30 nm, la caractéristique d'absorption de la structure périodique ne change pas de manière significative, montrant une absorption relativement stable. Dans les structures périodiques de la figure 5b, les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 13 μm, respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm. La distance entre les structures adjacentes est de 2 μm. Lorsque l'épaisseur de la couche d'absorption est de 10 nm, cette structure périodique fournit une absorption à large bande dans 4-7 THz avec une absorption d'onde THz de 40-90% dans la bande. Au fur et à mesure que l'épaisseur augmente, la bande d'absorption devient progressivement deux pics d'absorption indépendants. Bien que le pic d'absorption soit très élevé, il est difficile de former une large bande d'absorption d'onde THz.

Absorption des ondes THz des structures périodiques d'une combinaison de deux anneaux fendus et d'un disque d'Al avec différentes épaisseurs (t ). un Deux bagues fendues ont une largeur d'anneau de 1 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 15 μm, respectivement. Le disque Al a un rayon de 13 μm. b Deux bagues fendues ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 13 μm, respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm

Afin d'étudier la propriété d'absorption sous un éclairage d'incidence oblique, l'absorption d'ondes THz de structures périodiques d'une combinaison de deux anneaux fendus et d'un disque en Al avec différents angles d'incidence de 0° (incidence normale), 10°, 20°, 40 °, 60° et 80° sont simulés et représentés sur la Fig. 6. Dans les structures périodiques, les deux anneaux brisés ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 13 μm , respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm et une épaisseur de 10 nm. La distance entre les structures adjacentes est de 2 μm. Au fur et à mesure que l'angle incident augmente, les deux fréquences d'absorption de crête se déplacent légèrement vers la direction de fréquence inférieure. Lorsque l'angle incident est inférieur à 30°, le changement du taux d'absorption de crête n'est pas significatif. Cependant, la force d'absorption diminue considérablement lorsque l'angle d'incidence est supérieur à 40°.

Absorption des ondes THz des structures périodiques d'une combinaison de deux anneaux fendus et d'un disque d'Al avec différents angles d'incidence. Les deux bagues fendues ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon extérieur de 17 μm et 13 μm, respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm et une épaisseur de 10 nm

Conclusions

Des structures périodiques basées sur des résonateurs à anneau fendu en Al dans un réseau de structures à micro-ponts avec une taille unitaire de 35 μm × 35 μm sont étudiées dans le but d'améliorer l'absorption des ondes THz et d'augmenter la bande passante d'absorption des microbolomètres THz. La fréquence d'absorption de résonance des résonateurs à anneau fendu est déterminée par la largeur d'ouverture et la largeur de l'anneau. Des structures périodiques avec une combinaison d'anneaux fendus et de disque Al sont intégrées dans des réseaux de structures à micro-ponts. En couplant les pics d'absorption de différentes structures, la bande passante d'absorption est effectivement augmentée. L'absorption des ondes THz élevées dans la gamme de fréquences de 4 à 7 THz avec une absorption de 40 à 90 % est obtenue par la structure périodique à double anneau combinée à un disque. La structure répond aux exigences des microbolomètres THz pour une petite taille de pixel, une absorption élevée et une réponse à large spectre.

Méthodes

Nous avons effectué des simulations numériques par éléments finis à l'aide de CST Microwave Studio 2016. Nous avons simulé une seule cellule unitaire cubique d'un réseau de microbolomètres THz d'une taille de 35 μm × 35 μm, comme le montre la figure 1f. Le vecteur d'onde k propagé par le z direction avec champ électrique parfait en x–z plan et champ magnétique parfait en y–z avion. Nous définissons les ports d'entrée et de sortie sur les faces supérieure et inférieure de la cellule de l'unité cubique, qui sont respectivement indiqués par le port « 1 » et le port « 2 ». La simulation a produit un complexe dépendant de la fréquence S paramètres, à partir desquels nous avons obtenu la réflectance R =|S ₁₁ | ² au port « 1 » et la transmission T =|S₂₁ | ² au port « 2 » avec des conditions aux limites périodiques (PBC) le long du x et y directions. L'absorption de la structure périodique a été calculée via A = 1 −|S ₁₁ | ² −|S ₂₁ | ² . Pour les structures proposées dans la Fig. 1b–e, la couche d'absorption d'Al et la couche de réflexion ont été modélisées à l'aide du modèle de Drude avec une fréquence de plasma de \({\omega }_{p}=\) 92 700 cm ⁻¹ et une fréquence de diffusion de \({\omega }_{\tau }=\) 408 cm ⁻¹ [26]. La couche de support et de passivation d'une épaisseur totale de 400 nm a été modélisée en tant que Si₃ optique N₄ film avec une permittivité de dispersion du modèle du second ordre (fit) en CST et une perméabilité de 1. La cavité a été modélisée avec une permittivité de 1 et une perméabilité de 0 S/m.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données étayant les conclusions de cet article sont incluses dans l'article.

Abréviations

THz :

Térahertz

IR :

Infrarouge

Al :

Aluminium

Si₃ N₄ :

Nitrure de silicium

VO_x :

Oxyde de vanadium

ROIC :

Circuit intégré de lecture

Si :

Silicium

PBC :

Conditions aux limites périodiques