Absorption THz à large bande améliorée dans les réseaux de microbolomètres grâce à des résonateurs en anneaux fendus intégrés

Résumé

Dans cet article, une structure périodique basée sur des résonateurs en anneaux fendus métalliques est intégrée dans des structures de micro-ponts d'un réseau de microbolomètres THz afin d'obtenir une absorption élevée des ondes THz sur une large plage de fréquences. Avec une taille d'unité réduite de 35 μm × 35 μm, l'effet de la structure en anneau fendu sur les caractéristiques d'absorption des ondes THz du réseau multicouche est étudié pour manipuler les fréquences de résonance d'absorption. La bande passante d'absorption est efficacement augmentée en intégrant une structure combinée d'anneau fendu et de disque métallique. Une absorption THz à large bande est formée par couplage des pics d'absorption des différentes structures. La structure périodique à double anneau combinée à un disque métallique assure une absorption THz à large bande dans la gamme de 4 à 7 THz. L'absorption maximale dans cette bande atteint 90 % et l'absorption minimale reste supérieure à 40 %. La structure conçue est compatible avec les procédés de fabrication et facile à implémenter pour des microbolomètres THz à petits pixels offrant une absorption élevée sur un large spectre. Cette recherche propose un schéma pour la détection et l'imagerie THz à large bande à température ambiante.

Introduction

L'onde térahertz (THz), avec une longueur d'onde de 30 μm à 3 mm, constitue une portion très importante mais encore peu explorée du spectre électromagnétique. Les applications de la technologie THz incluent le contrôle de sécurité [1, 2], la médecine [3, 4], les communications [5, 6] et l'astronomie [7]. La technologie THz a connu d'immenses progrès ces dernières années grâce au développement de sources et de dispositifs pour la génération et la détection d'ondes THz [8, 9]. Les détecteurs THz reposent principalement sur l'effet photoélectrique et l'effet thermique. Les détecteurs à photons, tels que les bolomètres supraconducteurs, permettent une détection à haute sensibilité et haute vitesse [10, 11] ; toutefois, ils nécessitent un refroidissement à des températures extrêmement basses. 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 pour l'intégration en réseaux à grande échelle, la configuration simple et le faible coût [12, 13, 14]. Le réseau de microbolomètres THz est composé de pixels à structure de micro-pont, développé à partir de la technologie mature des microbolomètres infrarouges (IR) avec le même mécanisme de conversion thermique, équipé d'une source THz. Un inconvénient majeur de la structure de micro-pont conventionnelle est sa faible absorption de l'onde THz, ce qui entraîne une faible sensibilité. Des améliorations ont été apportées à la structure de micro-pont pour une absorption THz accrue, notamment l'intégration d'un film métallique d'adaptation d'impédance et d'une antenne accordée sur la fréquence cible [15, 16, 17, 18]. Cependant, le film métallique présente une absorption limitée (≤ 50 %), tandis que la structure de micro-pont couplée à une antenne possède généralement un pic d'absorption THz étroit. Pour obtenir une absorption THz élevée sur une large gamme spectrale, on peut ajouter une couche diélectrique fine et une couche métallique fine sur la surface supérieure d'un absorbateur conventionnel à trois couches [19]. La méthode de couplage de phase et la réponse de couplage fort peuvent également améliorer la bande passante d'absorption ou réaliser une absorption multibande [20, 21, 22, 23]. Toutefois, la plupart de ces structures ne peuvent pas être intégrées dans les petits pixels à structure de micro-pont des réseaux 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 des plasmons de surface piégés 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 à quatre ouvertures est intégré dans la structure de micro-pont avec une taille réduite de 35 μm × 35 μm. Pour augmenter la bande passante d'absorption, des structures périodiques combinant des résonateurs en anneau fendu avec un autre anneau fendu et un disque métallique sont étudiées. Une absorption THz à large bande est obtenue par couplage des pics d'absorption des différentes structures. La structure à double anneau combinée à un disque d'aluminium (Al) assure une absorption THz à large bande dans la gamme de 4 à 7 THz, avec une absorption maximale de 90 % et une absorption minimale supérieure à 40 %. La méthode de couplage de phase et la réponse de couplage fort peuvent également améliorer la bande passante ou réaliser une absorption multibande.

Résultats et discussion

Le réseau de microbolomètres THz est composé de nombreux pixels à structure de micro-pont disposés de manière bidimensionnelle et répétée sur le plan focal. Chaque pixel mesure indépendamment le rayonnement THz. La structure de micro-pont est présentée à la Fig. 1a. Elle se compose d'un film multicouche sensible et de deux pattes supportant ce film. Le film multicouche comprend, de bas en haut : une couche de support de 250 nm (nitrure de silicium, Si₃N₄), un film thermosensible de 60 nm (oxyde de vanadium, VOₓ), une couche de passivation de 150 nm (Si₃N₄) et une couche d'absorption d'ondes THz (Al). Les pattes assurent le support mécanique, les canaux électriques et thermiques. Le film VOₓ est connecté par les pattes aux électrodes du circuit de lecture (ROIC) intégré dans le substrat de silicium (Si). L'onde THz absorbée par la couche d'absorption provoque un changement de température du film multicouche et une variation de résistance du film VOₓ, détectée par le ROIC. Une cavité de 2 μm de hauteur pour l'isolation thermique est formée entre la couche réfléchissante (Al) d'une épaisseur de 400 nm sur le substrat Si et le film multicouche sensible. Dans cet article, un anneau fendu à quatre ouvertures, comme montré en Fig. 1b, est intégré dans la structure de micro-pont comme couche d'absorption THz. Afin d'augmenter la bande passante d'absorption THz, une structure à double anneau (Fig. 1c), un anneau fendu combiné à un disque Al (Fig. 1d) et une structure à double anneau combinée à un disque Al (Fig. 1e) sont également étudiées.

Conception de la structure de micro-pont couplée à des résonateurs en anneaux fendus. a Vue en coupe de la structure de micro-pont. b Anneau fendu à quatre ouvertures. c Structure à double anneau. d Anneau fendu combiné à un disque Al. e Structure à double anneau combinée à un disque Al. f Une seule cellule unitaire du réseau de microbolomètres THz éclairée par une incidence verticale.

La Fig. 2a montre l'absorption d'onde THz de structures périodiques en anneaux fendus avec différentes largeurs d'ouverture (s). Les anneaux fendus ont un rayon externe de 15 μm, un rayon interne de 10 μm et une épaisseur de 10 nm. Lorsque la largeur d'ouverture est de 1 μm, 2 μm, 4 μm et 6 μm, la fréquence de résonance d'absorption est respectivement de 5 THz, 5,7 THz, 6,2 THz et 7,1 THz. L'absorption maximale de chaque structure est d'environ 100 %. Avec l'augmentation de la largeur d'ouverture, la fréquence de résonance d'absorption augmente. Les ouvertures de l'anneau fendu peuvent être considérées comme une capacité équivalente (C) tandis que la partie métallique de l'anneau peut être considérée comme une inductance équivalente (L) ; la fréquence de résonance (ω) s'exprime par ω = 1/√(LC). L'augmentation de la largeur d'ouverture réduit la capacité équivalente et augmente la fréquence de résonance. Par conséquent, une forte absorption par résonance à une fréquence plus basse peut être obtenue avec une largeur d'ouverture plus petite. La Fig. 2b montre l'absorption d'onde THz de structures périodiques en anneaux fendus avec différentes largeurs d'anneau (d). Les anneaux fendus ont un rayon externe de 15 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm. On observe qu'avec la diminution de la largeur d'anneau, la fréquence de résonance d'absorption et l'absorption maximale diminuent. L'absorption maximale atteint 100 % à 5,7 THz et 97 % à 5,3 THz pour une largeur d'anneau de 5 μm et 3 μm respectivement. Lorsque la largeur d'anneau est de 1 μm, la fréquence de résonance d'absorption est de 5 THz et l'absorption maximale chute à 60 %. La diminution de la fréquence de résonance d'absorption est attribuée à l'augmentation de l'inductance équivalente lorsque la largeur d'anneau diminue.

a Absorption d'onde THz de structures périodiques en anneaux fendus avec différentes largeurs d'ouverture (s). Les anneaux fendus ont un rayon externe de 15 μm, un rayon interne de 10 μm et une épaisseur de 10 nm. b Absorption d'onde THz de structures périodiques en anneaux fendus avec différentes largeurs d'anneau (d). Les anneaux fendus ont un rayon externe de 15 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm.

La structure périodique en anneau fendu unique peut fournir une absorption 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 combinant plusieurs anneaux fendus et un disque Al sont intégrées dans des réseaux de structures de micro-pont. La Fig. 3a montre l'absorption d'onde THz de structures périodiques à double anneau avec différents rayons externes de l'anneau fendu interne (rᵢ). La structure à double anneau a une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm. Le rayon externe de l'anneau fendu externe est de 17 μm et la largeur des deux anneaux fendus est de 2 μm. Les structures à double anneau présentent deux pics d'absorption. À mesure que le rayon externe de l'anneau fendu interne augmente de 11 à 13 μm, une fréquence de résonance d'absorption reste inchangée à 3,3 THz tandis que l'autre diminue de 5,1 à 4,3 THz. Les pics d'absorption à basse et haute fréquence sont respectivement contribués par l'anneau fendu externe et l'anneau fendu interne. Lorsque les deux anneaux fendus se rapprochent, les deux pics d'absorption se couplent 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.

a Absorption d'onde THz de structures périodiques à double anneau avec différents rayons externes de l'anneau fendu interne (rᵢ). Les structures à double anneau ont une largeur d'ouverture de 2 μm et une épaisseur de 10 nm. Le rayon externe de l'anneau fendu externe est de 17 μm et la largeur des deux anneaux fendus est de 2 μm. b Absorption d'onde THz de structures périodiques combinant un anneau fendu et un disque Al avec différents rayons du disque (r_d). Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. L'anneau fendu a un rayon externe de 17 μm, une largeur d'anneau de 2 μm et une largeur d'ouverture de 2 μm. c Absorption d'onde THz de structures périodiques combinant deux anneaux fendus et un disque Al avec différents rayons du disque (r_d). Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. Les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon externe de 17 μm et 14 μm respectivement.

L'absorption d'onde THz de structures périodiques combinant un anneau fendu et un disque Al avec différents rayons du disque (r_d) est montrée en Fig. 3b. Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. L'anneau fendu a un rayon externe de 17 μm, une largeur d'anneau de 2 μm et une largeur d'ouverture de 2 μm. Les structures périodiques présentent deux pics d'absorption. L'un des pics est situé près de 4,3 THz, ce 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 les basses fréquences et la variation de l'absorption maximale n'est pas significative. Le pic d'absorption près de 4,3 THz est contribué par l'anneau fendu tandis que le pic à haute fréquence se déplaçant avec la structure du disque est contribué par le disque Al. Lorsque le rayon du disque est de 12 μm, une absorption à large bande est obtenue avec une largeur d'environ 2 THz. La Fig. 3c montre l'absorption d'onde THz de structures périodiques combinant deux anneaux fendus et un disque Al avec différents rayons du disque (r_d). Les structures périodiques ont une épaisseur de 10 nm. Les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon externe de 17 μm et 14 μm respectivement. La fréquence de résonance d'absorption est autour de 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 de résonance d'absorption est à 8,2 THz. Lorsque le rayon du disque est de 9 μm, son pic d'absorption se déplace à 6,5 THz et se couple avec le pic d'absorption de l'anneau fendu interne. La structure périodique combinant deux anneaux fendus et un disque Al assure une absorption à large bande dans la gamme 4–7 THz. L'absorption maximale dans cette bande atteint 90 % et l'absorption minimale est supérieure à 40 %.

La Fig. 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 combinée à un disque Al aux différentes fréquences de résonance d'absorption. La structure périodique a une épaisseur de 10 nm. Les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon externe de 17 μm et 14 μm respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm. Comme montré en Fig. 3c, cette structure périodique présente 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 de résonance d'absorption montre les zones principales d'absorption de l'onde THz dans la structure. On observe que l'anneau fendu externe, l'anneau fendu interne et le disque contribuent principalement à l'absorption par 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 des structures périodiques. La Fig. 4d montre la vue en coupe de la distribution de la densité du champ électrique dans la structure périodique à double anneau combinée à un disque Al aux fréquences de résonance d'absorption de 5,74 THz et 6,5 THz. Un champ électrique fort peut être observé au niveau de la couche métallique et de la couche diélectrique. L'absorption est principalement attribuée à la perte ohmiques dans la couche métallique et à la perte diélectrique dans la couche diélectrique. La majeure partie de l'absorption se produit dans la couche de support et peut être transformée en élévation de température du film mince de VOₓ.

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

L'absorption d'onde THz de structures périodiques combinant deux anneaux fendus et un disque Al avec différentes épaisseurs (t) est montrée en Fig. 5. Dans les structures périodiques de la Fig. 5a, les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 1 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon externe de 17 μm et 15 μm respectivement. Le disque Al a un rayon de 13 μm. La distance entre structures adjacentes est de 1 μm. Les pics d'absorption des différentes structures se couplent et forment une large bande d'absorption. À mesure que l'épaisseur de la couche d'absorption augmente, la bande passante d'absorption devient plus étroite. Cependant, lorsque l'épaisseur dépasse 30 nm, la caractéristique d'absorption de la structure périodique ne change pas significativement, montrant une absorption relativement stable. Dans les structures périodiques de la Fig. 5b, les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon externe de 17 μm et 13 μm respectivement. Le disque Al a un rayon de 9 μm. La distance entre structures adjacentes est de 2 μm. Lorsque l'épaisseur de la couche d'absorption est de 10 nm, cette structure périodique assure une absorption à large bande dans la gamme 4–7 THz avec une absorption d'onde THz de 40 à 90 % dans la bande. À mesure que l'épaisseur augmente, la bande d'absorption se divise progressivement en deux pics d'absorption indépendants. Bien que l'absorption maximale soit très élevée, il est difficile de former une large bande d'absorption d'onde THz.

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

Afin d'étudier les propriétés d'absorption sous une incidence oblique, l'absorption d'onde THz de structures périodiques combinant deux anneaux fendus et un disque Al avec différents angles d'incidence de 0° (incidence normale), 10°, 20°, 40°, 60° et 80° a été simulée et est montrée en Fig. 6. Dans les structures périodiques, les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon externe 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 structures adjacentes est de 2 μm. À mesure que l'angle d'incidence augmente, les deux fréquences de pic d'absorption se déplacent légèrement vers les basses fréquences. Lorsque l'angle d'incidence est inférieur à 30°, la variation du taux d'absorption maximal n'est pas significative. Cependant, la force d'absorption diminue significativement lorsque l'angle d'incidence dépasse 40°.

Absorption d'onde THz de structures périodiques combinant deux anneaux fendus et un disque Al avec différents angles d'incidence. Les deux anneaux fendus ont une largeur d'anneau de 2 μm, une largeur d'ouverture de 2 μm et un rayon externe 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 en anneaux fendus en Al dans un réseau de structures de micro-pont avec une taille d'unité de 35 μm × 35 μm sont étudiées dans le but d'améliorer l'absorption d'onde THz et d'augmenter la bande passante d'absorption des microbolomètres THz. La fréquence de résonance d'absorption des résonateurs en anneau fendu est déterminée par la largeur d'ouverture et la largeur de l'anneau. Des structures périodiques combinant des anneaux fendus et un disque Al sont intégrées dans des réseaux de structures de micro-pont. En couplant les pics d'absorption des différentes structures, la bande passante d'absorption est efficacement augmentée. Une absorption THz élevée 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 spectrale large.

Méthodes

Nous avons effectué des simulations numériques par éléments finis en utilisant CST Microwave Studio 2016. Nous avons simulé une seule cellule unitaire cubique du réseau de microbolomètres THz avec une taille de 35 μm × 35 μm, comme montré en Fig. 1f. Le vecteur d'onde k se propageait dans la direction z avec un champ électrique parfait dans le plan x–z et un champ magnétique parfait dans le plan y–z. Nous avons défini les ports d'entrée et de sortie sur les faces supérieure et inférieure de la cellule unitaire cubique, indiqués comme port « 1 » et port « 2 » respectivement. La simulation a produit des paramètres S complexes dépendants de la fréquence, à partir desquels nous avons obtenu la réflectance R = |S₁₁|² au port « 1 » et la transmittance T = |S₂₁|² au port « 2 » avec des conditions aux limites périodiques (PBC) le long des directions x et y. L'absorption de la structure périodique a été calculée via A = 1 − |S₁₁|² − |S₂₁|². Pour les structures proposées en Fig. 1b–e, la couche d'absorption Al et la couche de réflexion ont été modélisées en utilisant le modèle de Drude avec une fréquence de plasma de ω_p = 92 700 cm⁻¹ et une fréquence de diffusion de ω_τ = 408 cm⁻¹ [26]. La couche de support et la couche de passivation d'une épaisseur totale de 400 nm ont été modélisées comme un film optique de Si₃N₄ avec une permittivité de dispersion du modèle du second ordre (fit) dans 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 matériaux

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

Abréviations

THz :

Térahertz

IR :

Infrarouge

Al :

Aluminium

Si₃N₄ :

Nitrure de silicium

VOₓ :

Oxyde de vanadium

ROIC :

Circuit intégré de lecture

Si :

Silicium

PBC :

Conditions aux limites périodiques