안테나 결합 마이크로 브리지 구조는 THz 애플리케이션을 위한 적외선 마이크로 볼로미터 기술을 확장하는 좋은 솔루션으로 입증되었습니다. 나선형 안테나는 지지층의 기존 나선형 안테나에 추가하여 브리지 레그에 단일 개별 선형 안테나, 2개의 개별 선형 안테나 또는 2개의 연결된 선형 안테나가 있는 25μm × 25μm 마이크로 브리지 구조로 제안됩니다. . 마이크로 브리지 구조의 THz 흡수에 대한 각 안테나의 구조적 매개변수 효과는 원적외선 CO2에서 복사되는 2.52THz 파장의 최적화된 흡수에 대해 논의됩니다. 레이저. 넓은 흡수 피크를 위한 두 개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나의 설계와 상대적으로 안정적인 흡수를 위한 두 개의 선형 안테나가 연결된 나선형 안테나의 설계는 360* 회전 각도의 낮은 흡수 주파수에서 높은 흡수를 위한 좋은 후보입니다. n (n =1.6). 확장된 다리가 있는 나선형 안테나는 또한 구조를 실현하기 위해 빠른 응답과 고도로 호환되고 프로세스 간소화된 방법으로 고집적 마이크로 브리지 구조를 제공합니다. 이 연구는 여러 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 설계를 보여주고 실온 감지 및 실시간 이미징에서 잠재적인 장치 응용 분야에 대해 선호되는 방식을 제공합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">테라헤르츠(THz) 방사(0.1~10THz, 1THz =10 12 Hz)는 광대역, 낮은 에너지 투과 및 스펙트럼 흡수[1, 2]의 고유한 스펙트럼 특성을 갖는 것으로 입증되었으며 분자 분광법[3], 질병 진단[4], 감지 및 영상화 분야의 광범위한 응용 분야에서 매력적입니다. [5, 6]. 그러나 이 주파수 범위는 THz로 조정된 소스 및 감지기의 부족으로 인해 현재까지 완전히 활용되지 않았습니다. 지난 20년 동안 초고속 전자 장치, 레이저 기술, 소규모 반도체 기술의 발전으로 THz파 방출 및 감지에 효과적인 방법이 제공되었습니다. 양자 캐스케이드 레이저(QCL)는 원적외선 CO2 동안 조정 가능한 주파수[7, 8]에서 라인 방출을 방출할 수 있습니다. 2.52THz 파동을 방출하는 가스 레이저는 훨씬 더 높은 복사 전력을 제공합니다[9]. 현재 THz 검출기는 주로 THz 신호를 직접 측정할 수 있는 두 가지 효과, 즉 광자 효과와 광열 효과를 기반으로 합니다. 광자 검출기는 초전도체-절연체-초전도체 터널 접합(SIS)[10] 및 광전도 또는 광전지 모드에서 작동하는 양자 우물(QW) 검출기를 포함하여 흡수된 THz 복사의 광전 효과를 기반으로 작동합니다[11,12,13,14]. . 광자 검출기는 감도가 높고 응답 시간이 짧지만 파장이 선택적이고 종종 냉장이 필요합니다. 실온 초전기 감지기[15] 및 마이크로 볼로미터[8, 9]와 같은 광열 감지기는 THz 복사 에너지를 흡수하여 열에 민감한 필름의 저항률 또는 자발적인 분극 변화로 변환합니다. 마이크로 볼로미터 검출기는 상온에서 넓은 파장 응답으로 작동할 수 있으며 초전 검출기에 비해 어레이 통합 및 비용면에서 큰 이점이 있습니다. THz 마이크로 볼로미터 검출기의 개발은 동일한 열 변환 메커니즘을 사용하는 성숙한 적외선(IR) 마이크로 볼로미터 기술의 이점을 제공합니다. 보다 최근에는 적절한 조명 소스가 장착된 IR 마이크로 볼로미터 초점 평면 어레이(FPA)를 기반으로 하는 THz 감지 및 이미징 시스템의 이론적 연구 및 실험적 검증이 보고되었습니다[7, 16]. 그러나 전통적인 마이크로 브리지 구조를 가진 이러한 IR 검출기는 THz 복사의 열악한 흡수로 인해 THz 범위에서 감도가 낮습니다[17].
기존 마이크로 볼로미터 마이크로 브리지 구조의 향상된 THz 흡수를 위해 일부 개선이 이루어졌습니다. 저항 손실로 인해 THz파를 흡수하는 것으로 입증된 임피던스 정합 금속 박막은 낮은 열용량, 높은 열전도도 및 THz 마이크로 칩 제조 공정과의 우수한 호환성으로 인해 마이크로 브리지 구조의 흡수층으로 첫 번째 선택입니다. 볼로미터[18, 19]. 금속 박막의 흡수는 준비 공정 제어 및 표면 개질에 의해 더욱 향상될 수 있다[20]. 그러나 단일 금속 박막의 흡수 효과는 이상적인 흡수율이 50%로 제한되어 있다[21]. 조명기 주파수에 맞춰진 메타물질 흡수체와 안테나는 구조의 저항 손실 및 유전 손실로 인한 높은 흡수율을 위해 볼로미터에 통합될 수 있습니다[22, 23]. 안테나 결합 마이크로 브리지 구조는 마이크로 볼로미터와의 통합에서 더 나은 호환성을 위해 높은 흡수 및 감도를 달성하는 더 효과적인 방법인 것으로 입증되었습니다. 안테나는 THz 파장의 높은 흡수를 제공하는 반면 마이크로 브리지 구조는 고성능 열 감지를 보장합니다. 안테나 결합 산화바나듐(VOx ) 94GHz에서 작동하는 박막 볼로미터[24]와 0.5~1.5THz에 민감한 안테나 결합 금속 산화물 반도체 FET(MOSFET) 마이크로 볼로미터[25, 26]가 보고되었습니다. 2.5THz의 실시간 이미징은 THz 방사원으로 QCL이 있는 안테나 결합 마이크로 볼로미터 FPA를 사용하여 CEA-Leti에 의해 개발되었습니다[27]. 대부분의 경우 평면 안테나 구조는 넓은 흡수 면적과 간단한 제조 공정을 위해 채택됩니다. 그러나 더 빠른 가열 속도를 위해 평면 안테나보다 벌크 볼륨이 작은 와이어 안테나가 선호되어 열 응답 시간이 더 낮습니다[28].
우리의 초기 연구[29]에서는 35μm × 35μm 마이크로 볼로미터 마이크로 브리지 구조의 나선형 와이어 안테나가 도입되었으며 2.52THz 파장의 흡수 향상을 위해 다리가 확장된 새로운 유형의 나선형 안테나가 예비 제시되었습니다. . 그러나 안테나 구조의 최적화된 설계와 THz 흡수 특성, 광열 효과 및 제조 공정에 대한 자세한 논의는 이루어지지 않았습니다. 본 논문에서는 25μm × 25μm의 훨씬 작은 크기의 마이크로 브리지 구조를 기반으로 1개의 개별 선형 안테나, 2개의 개별 선형 안테나로 THz 흡수 향상 및 흡수 주파수 변조를 위해 3가지 유형의 나선형 안테나를 제안합니다. , 또는 지지층의 기존 나선형 안테나 외에 브리지 다리에 연결된 두 개의 선형 안테나. 안테나 유형별 구조적 매개변수 최적화 및 흡수 특성 분석을 통해 2.52THz 부근의 넓은 흡수 피크 또는 2.52THz에서 안정적인 흡수를 위해 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 선호도가 높은 집적도, 단순화된 제조 공정 및 빠른 가열 속도.
나선형 안테나는 목표 주파수가 2.52THz인 마이크로 브리지 구조를 기반으로 하는 THz 마이크로 볼로미터 FPA의 흡수 향상 및 변조를 위해 설계되었습니다. FPA에서 픽셀 간격이 25μm인 단일 픽셀(그림 1a)은 약 20μm× 20μm 크기의 중앙 민감 영역과 민감 영역을 지지하는 두 개의 긴 다리로 구성됩니다. 민감한 영역은 0.4μm의 실리콘 질화물(Si3 N4 ) 필름, 감열층(VOx) 두께 70nm의 박막), 0.05μm의 알루미늄(Al) 박막으로 이루어진 THz 흡수층 역할을 하는 나선형 안테나. 0.2μm 두께의 니켈-크롬(NiCr) 박막을 반사층으로 민감한 영역 아래에 배치하여 IR 복사의 최적화된 흡수와 THz 복사의 열 절연을 위해 2μm 높이의 공진 공동을 형성합니다. 나선형 안테나 구조는 Si3에 있습니다. N4 지지층이며 18μm의 외경으로 제한됩니다. 지지층의 크기 제한을 목표로 그림 1b에서와 같이 지지층에 기존의 나선형 안테나를 추가하여 새로운 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조를 제안합니다. 선형 안테나가 브리지 다리에 도입 및 통합되어 지원 레이어에서 원래 나선형 유형 안테나의 면적이 증가합니다. 그림 1c–e는 브리지 레그에 각각 1개의 개별 선형 안테나, 2개의 개별 선형 안테나 및 2개의 연결된 선형 안테나가 있는 나선형 안테나를 보여줍니다.
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나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 설계. 아 마이크로 브리지 구조 모델. ㄴ 지지층에 나선형 안테나. ㄷ 브리지 레그 중 하나에 단일 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나. d 브리지 레그에 2개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나. 이 브리지 레그에 연결된 두 개의 선형 안테나가 있는 나선형 안테나. 에 수직 입사광에 대한 전기장 및 자기장의 방향
그림 1b에 표시된 기존의 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조는 먼저 지지층의 안테나로 연구되었습니다. 나선형 안테나의 구조적 매개변수(그림 1b 참조)를 최적화하고 각 매개변수가 THz 흡수 특성에 미치는 영향에 대해 논의했습니다.
안테나 선폭이 1μm이고 회전 각도(안테나 중심에서 시작하는 회전 각도)가 360*n인 지지층의 나선형 안테나의 경우 (n 0.5~2.0의 변화), n을 갖는 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 흡수 피크 위치 및 피크 흡수율의 변화 각각 그림 2a, b에 나와 있습니다.
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흡수 피크 위치의 변화 곡선(a ) 및 최대 흡수율(b) ) 및 THz 파장 흡수 곡선(c ) 회전 각도가 다른 마이크로 브리지 구조(360*n) ) 지지층의 나선형 안테나
n일 때 피크 흡수 주파수와 피크 흡수율이 감소함을 Fig. 2a, b에서 알 수 있다. 0.5에서 0.9로 증가합니다. 피크 흡수율은 n일 때 4.1 THz에서 65%로 감소합니다. =0.9 그리고 n일 때 3.5 THz에서 90%로 증가 =1. n일 때 =1~1.5, 최대 흡수 주파수와 최대 흡수 속도는 회전 각도가 증가함에 따라 계속 감소합니다. 피크 흡수 주파수는 n일 때 2.64THz로 감소합니다. =1.5; 그러나 피크 흡수율은 22.8%로 감소합니다. n일 때 2.53THz에서 30%의 흡수를 얻습니다. =1.6. 최소 피크 흡수 주파수는 n일 때 2.39THz에서 발생합니다. =1.7이고 흡수 주파수는 n일 때 4.45THz로 증가합니다. =1.8. n일 때 =1.8~2, 피크 흡수 주파수는 다시 감소하고 피크 흡수율은 회전 각도가 증가함에 따라 증가합니다. 그림 2a는 n을 포함한 여러 범위에서 회전 각도가 증가함에 따라 흡수 주파수가 계속 감소함을 나타냅니다. =0.5~1, n =1.1~1.7 및 n =1.8~2. 피크 흡수율은 <>n일 때도 계속 감소합니다. =0.5~0.9, n =1~1.5, n =1.6~1.7. 회전 각도가 더 큰 안테나(360*n) ) n일 때> 2는 지지층의 크기 제한으로 인해 고려되지 않습니다. 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선은 서로 다른 회전 각도(360*n)로 그림 2c에 나와 있습니다. , n =1.1~1.7) 지지층에 나선형 안테나. 각 흡수 곡선은 주파수 축을 따라 다중 흡수 피크를 가지며, 가장 낮은 주파수의 흡수 피크는 고출력 원적외선 CO22 가스 레이저. 그림 2는 n일 때 2.52THz 근처에서 흡수 피크가 얻어짐을 나타냅니다. =1.6, 30%의 낮은 흡수율.
그림 3a, b는 n일 때 지지층에 나선형 안테나가 있는 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선을 보여줍니다. =1.6, 다른 선 너비(w ) 및 간격(g ), 각각. 피크 흡수 주파수는 크게 감소하는 반면, 피크 흡수율은 선폭과 간격이 증가함에 따라 서서히 증가함을 알 수 있다. n일 때 유사한 결론을 얻을 수 있습니다. =1.1. 선폭과 간격의 증가는 안테나의 크기를 증가시킵니다. 안테나 면적의 증가는 흡수 주파수를 줄이는 데는 유리하지만 흡수율에는 크게 기여하지 않는 것으로 보입니다.
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n일 때 지지층에 나선형 안테나가 있는 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선 =1.6, 다른 선 너비(a ) 및 다른 간격(b )
[29]에 보고된 35μm× 35μm 픽셀 구조에 비해 픽셀 크기가 더 작기 때문에 픽셀 크기가 25μm × 25μm인 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 경우 2.52THz 근처에서 더 열악한 흡수가 얻어집니다. 이는 n일 때 2.77THz에서 45%의 더 높은 흡수율을 제공합니다. =1.1 및 n일 때 2.99THz에서 46% =2.1. 이전에 결론을 내렸듯이 안테나 면적을 늘리는 것은 흡수 주파수 변조에 효과적인 방법이지만 지지층의 크기에 의해 제한되고 25μm × 25μm 픽셀의 경우 더 심해집니다.
마이크로 브리지 구조의 다리는 기계적 지지와 전기 및 열 채널의 역할을 합니다. 긴 다리 다리는 낮은 열전도율을 제공하고 마이크로 브리지 구조의 단열 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이는 또한 민감한 영역의 유효 크기를 줄여 흡수 필름 또는 구조의 크기를 제한합니다. 낮은 주파수에서 높은 흡수율을 달성하기 위해 브리지 레그에 선형 안테나를 도입하여 안테나 면적을 늘렸습니다. 그림 1c는 다리 다리 중 하나에 단일 선형 안테나가 있는 나선형 안테나를 보여줍니다.
우리의 연구는 민감한 영역 측 근처의 브리지 레그에 있는 선형 안테나 포트가 강한 결합 흡수 효과를 갖는 것으로 나타났습니다. 그래서 회전 각도를 360*n으로 설정했습니다. (n =1.1 및 n =1.6), 안테나의 선 너비는 1μm, 간격은 2.5μm(n =1.1) 및 1.4μm(n =1.6) 거리 조정(i , 부분 확대도와 함께 그림 1c에 표시됨) 브리지 레그의 안테나 포트와 브리지 레그와 민감한 영역 사이의 연결 사이. n일 때 서로 다른 선형 안테나 위치에 대해 브리지 다리 중 하나에 단일 선형 안테나가 있는 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선 =1.1 및 n =1.6은 각각 그림 4a, b에 나와 있습니다.
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n일 때 브리지 레그 중 하나에 별도의 단일 선형 안테나가 있는 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선 =1.1(a ) 및 n =1.6(b ) 다른 선형 안테나 위치에 대해
그림 4a와 같이 브리지 레그에 안테나를 삽입하면 3.5THz 부근의 원래 흡수 피크 외에 더 낮은 주파수에서 새로운 흡수 피크가 나타납니다. 브리지 다리의 안테나 포트가 민감한 영역(i − 2.5에서 2μm로 변경), 고주파에서의 흡수는 거의 동일하게 유지되는 반면, 피크 흡수율과 흡수 주파수는 저주파에서 감소합니다. 브리지 레그의 안테나가 더 낮은 주파수에서 흡수에 기여한다는 것이 분명해집니다. n일 때 단일 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나의 흡수 곡선 그림 4b에 표시된 =1.6은 2.52THz 근처에서 넓은 흡수 피크를 나타냅니다. 지지층에 있는 나선형 안테나의 흡수 피크와 브리지 레그에 있는 안테나의 흡수 피크가 가까운 위치에서 발생하기 때문입니다. 나로 − 2.5에서 − 1 μm로 변화하면 두 흡수 피크가 서로 가까워지고 흡수 대역이 넓어집니다. i일 때 0.4THz의 대역폭에서 40% 이상의 넓은 흡수를 얻을 수 있습니다. =− 1.5이고 단일 넓은 흡수 피크는 i일 때 0.3 THz의 반피크 폭으로 달성됩니다. =− 1.
n일 때 서로 다른 선형 안테나 위치에 대한 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선 =1.1 및 n =1.6, 선 너비 및 간격을 포함한 다른 구조 매개변수의 동일한 설정은 각각 그림 5a, b에 나와 있습니다. THz 흡수의 변화는 그림 4와 같이 하나의 분리된 선형 안테나가 있는 나선형 안테나와 일반적으로 동일한 경향이 있습니다. 마이크로 브리지 구조의 두 다리는 모두 안테나를 준비하는 데 사용되므로 면적 안테나의 크기가 더 커집니다. 이는 n일 때 더 낮은 주파수에서 훨씬 더 높은 흡수율(90% 이상)을 가져옵니다. =1.1은 그림 5a와 같이 단일 선형 선형 안테나가 있는 나선형 안테나와 비교됩니다. 브리지 레그에 안테나를 도입하면 원래의 더 높은 주파수에서 흡수도 증가합니다. n일 때 그림 5b에서도 넓은 흡수 피크를 얻을 수 있습니다. =1.6이고 흡수가 크게 향상됩니다. n일 때 브리지 다리에 2개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나가 =1.6은 더 넓은 대역에서 더 높은 흡수율로 인해 마이크로 브리지 구조를 기반으로 하는 THz 마이크로 볼로미터 FPA에 사용하기에 더 적합합니다.
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n일 때 브리지 레그에 두 개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선 =1.1(a ) 및 n =1.6(b ) 다른 선형 안테나 위치에 대해
그림 6은 이전에 설계한 3가지 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조에 대한 전기장 및 자기장의 에너지 밀도 다이어그램을 보여줍니다. 그림 6a, b에서 볼 수 있듯이 지지층 위의 나선형 안테나의 경우 전계 에너지의 흡수는 나선형 안테나의 중앙과 양쪽 끝에서 주로 발생하는 반면 안테나 라인은 대부분의 흡수에 기여함을 알 수 있습니다. [29]에 보고된 우리의 이전 연구와 일치하는 자기장 에너지. 그림 6c, d는 전기장 에너지의 강한 결합 흡수 효과가 감지 영역 측 근처 브리지 레그의 단일 개별 선형 안테나 포트에서 발생하고 레그의 안테나도 자기장 에너지 흡수에 기여함을 보여줍니다. . 그림 6e, f와 같이 브리지 레그에 두 개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나에서도 유사한 현상이 관찰될 수 있습니다. 전기장 에너지와 자기장 에너지 모두의 흡수는 흡수 영역에서 증가하고 안테나 영역이 확대되어 흡수 강도가 향상됩니다. 그림 6g, h는 n일 때 브리지 레그에 2개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나와 결합된 마이크로 브리지 구조의 전력 손실 분포를 보여줍니다. =1.6 및 i =− 2는 각각 평면도와 측면도입니다. 그림 6h에서 전력 손실이 거의 전적으로 중앙에 민감한 영역에 국한되어 있음을 분명히 알 수 있습니다. 중앙 민감 영역에 통합된 박막. 중앙 나선형 안테나에 의한 전력 손실은 주로 안테나 층에서 발생하며, 브리지 레그의 개별 선형 안테나에 의한 손실은 대부분 Si3에서 발생합니다. N4 지지층. 즉, 그림 5a의 고주파 흡수 피크는 중심 나선형 안테나의 옴 손실에 의해 발생하고 저주파 흡수 피크는 유전 손실로 인해 브리지 다리의 개별 선형 안테나에 기인하여 형태에 기여합니다. 그림 5b와 같이 넓은 흡수 피크. 투과 및 반사 계수 기반(S 매개변수), 산란 데이터는 굴절률(n)을 결정하기 위해 반전될 수 있습니다. ) 및 임피던스(z ), 유효 유전율에 대한 일관된 값(ε ) 및 투과성(μ )를 얻을 수 있다[30]. 그림 7a, b는 n일 때 2개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나와 결합된 마이크로 브리지 구조에 대한 주파수 함수로서의 유효 투자율 및 유전율의 실수부와 허수부를 보여줍니다. =1.6 및 i =− 2, 각각. 그림 7에서 2.52THz 부근에서 명백한 공진이 발생하여 그림 5b와 같이 THz 복사 손실과 두 개의 흡수 피크를 유도함을 알 수 있습니다.
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전기장 에너지 밀도, 자기장 에너지 밀도 및 전력 손실 분포. 전기장의 에너지 밀도 도표(a ) 및 자기장(b ) n일 때 지지층의 나선형 안테나 =1.6; 전기장의 에너지 밀도 도표(c ) 및 자기장(d ) n일 때 단일 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나의 경우 =1.6 및 i =− 2; 전기장의 에너지 밀도 도표(e ) 및 자기장(f ) n일 때 2개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나의 경우 =1.6 및 i =− 2; n일 때 2개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나와 결합된 마이크로 브리지 구조의 전력 손실 분포 =1.6 및 i =− 2 (g) ) 및 측면도(h )
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유효 투자율의 실수부와 허수부(a ) 및 유전율(b ) n일 때 두 개의 개별 선형 안테나가 있는 나선형 안테나와 결합된 마이크로 브리지 구조의 주파수 함수 =1.6 및 i =− 2
그림 1e에 표시된 다른 종류의 나선형 안테나는 다리 다리에 연결된 두 개의 선형 안테나로 제안되었습니다. 그림 8은 n일 때 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선을 보여줍니다. =1.6, g (간격) =1.4μm(다양한 선 너비의 경우)(f ). 두 개의 겉보기 흡수 피크가 그림 8에서 관찰됩니다. 피크 흡수 위치는 안테나 선폭이 증가함에 따라 더 낮은 주파수로 천천히 이동하지만 피크 흡수율은 거의 변하지 않습니다. f일 때 2.52THz에서 약 70%의 흡수를 얻습니다. =1 μm, f일 때 2.52THz에서 각 곡선의 흡수율 =0.8~ 1.1μm는 50% 이상입니다. 이는 제작 과정에서 발생할 수 있는 안테나 라인의 폭 차이가 THz 흡수에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 의미하며, 이는 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조 설계에 도움이 되고 제조 및 구현의 어려움을 감소시킨다. 더 큰 중복성을 위해 설계된 구조가 허용됩니다.
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서로 다른 선폭(f)에 대해 브리지 레그에 연결된 두 개의 선형 안테나가 있는 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 THz 파장 흡수 곡선 )
그림 9는 선폭이 1μm일 때 브리지 레그에 선형 안테나 2개가 연결된 나선형 안테나의 전기장 및 자기장 에너지 밀도 다이어그램을 보여줍니다. 그림 9a와 같이 전기장 에너지의 흡수 영역은 민감한 영역과 브리지 다리와 민감한 영역 사이의 연결 영역에서 주로 발생합니다. 그림 9b에 표시된 자기장 에너지의 흡수는 주로 지지층에 대한 안테나의 기여에 기인합니다. 대부분의 흡수는 지지층에서 발생하며 VOx의 온도 상승으로 변환될 수 있습니다. 박막.
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전기장의 에너지 밀도 도표(a ) 및 자기장(b ) 브리지 레그에 2개의 연결된 선형 안테나가 있고 선 폭이 1μm인 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조용
그림 1d, e와 같이 브리지 레그에 두 개의 개별 선형 안테나 또는 두 개의 연결된 선형 안테나가 있는 나선형 안테나의 설계는 회전 각도가 다음과 같을 때 2.52THz의 낮은 흡수 주파수에서 높은 흡수율을 위한 좋은 솔루션입니다. 360*n으로 설정 (n =1.6). 선형 안테나 2개가 분리된 나선형 안테나는 2.52THz 부근에서 넓은 흡수 피크를 제공하는 반면, 선형 안테나 2개가 연결된 나선형 안테나는 안테나 선폭의 변화에 따라 상대적으로 안정적인 흡수 피크를 보입니다. 두 개의 선형 안테나가 연결된 나선형 안테나의 또 다른 장점은 안테나와 전극 리드층을 단일 단계의 포토리소그래피 및 패턴 공정으로 제작할 수 있기 때문에 안테나가 전극 리드 역할을 하여 고집적화 및 공정 단순화를 할 수 있다는 것입니다. 이는 2.52THz에서 높은 흡수율과 고도로 호환되고 프로세스 간소화된 구조 구현 방법을 갖춘 고집적 나선형 안테나 결합 마이크로 브리지 구조를 제공합니다.
안테나 결합 마이크로 브리지 구조의 THz 검출기의 경우 열 응답 시간(τ ) 유효 열전도율(G 에프 ) 및 총 열용량(C 꼭 ) τ를 통해 =C 꼭 /G 에프 . 지 에프 G를 통해 정의됩니다. 에프 =G 다리 − αV 편견 나 0 , 여기서 α 전류의 온도 계수 및 V 편견 그리고 나 0 는 각각 검출기[31]의 바이어스 전압과 전류입니다. 지 다리 =2σ 번째 A /나 는 브리지 레그의 열전도율이며, 여기서 σ 번째 는 다리 열전도율이며 A 그리고 나 는 각각 다리 다리의 단면적과 길이입니다. 다리가 2개이므로 2를 곱합니다. 확실한 마이크로 브리지 구조의 경우 브리지 다리의 열전도가 고정됩니다. 지 에프 도 수정될 것입니다[32]. τ C에 의해 결정됩니다. 꼭 , 이는 C와 같은 부하를 포함하는 안테나 및 마이크로 브리지 구조의 총 열용량 꼭 =C 개미 + C 브리지 . 안테나의 열용량은 C를 통해 정의됩니다. 개미 =ㄷ 개미 ρ 개미 V 개미 , 여기서 c 개미 안테나 비열, ρ 개미 는 안테나 질량 밀도이고 V 개미 안테나 볼륨입니다. C 브리지 C와 유사한 방식으로 정의됩니다. 개미 . C 꼭 주로 안테나 볼륨(V 개미 ) 고정 마이크로 브리지 구조의 확실한 안테나 재료의 경우. 이것이 우리가 더 낮은 열 응답 시간을 달성하기 위해 평면 안테나보다 선형 안테나를 사용하여 안테나 볼륨을 줄일 것으로 기대하는 이유입니다. 본 논문에서 설계한 안테나 결합 마이크로 브리지 구조에서 단일 금속층이 안테나와 전극 리드층 역할을 하는 경우 C의 경우 총 열용량이 더욱 감소합니다. 완전 ≈ C 브리지 . 마이크로 브리지 구조의 중앙 민감 영역이 Si3로 구성된다고 가정 N4 약 20μm × 20μm의 크기와 0.4μm의 두께를 갖는 박막, 안테나층은 두께 0.05μm의 Al 박막으로 이루어지며 민감영역의 1/3을 덮는 Si<하위>3 N4 필름과 Al 안테나는 PECVD Si3의 비열 용량과 질량 밀도로부터 계산할 수 있습니다. N4 필름은 0.17 J/(g*K) 및 2500Kg/m 3 입니다. , Al 박막의 경우 0.91J/(g*K) 및 2700Kg/m 3 , 각각. The results suggest that for the antenna-coupled micro-bridge structure with a single antenna and electrode lead layer, the total heat capacity can be reduced to 83.7% of the traditional micro-bridge structure with two metal layers acting as the antenna and electrode lead layer separately, and the thermal response time can be reduced by 16.3% under the same thermal conductivity of the micro-bridge structure. This provides the potentiality of applications in high-performance THz micro-bolometer detectors with fast response.
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.
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 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.
Field effect transistors
Focal plane array
Infrared
Metal-oxide-semiconductor FET
Nickel–chromium
Periodic boundary conditions
Quantum cascade lasers
Quantum well
Silicon nitride
Superconductor–insulator–superconductor tunnel junction
Terahertz
Vanadium oxide
나노물질
초록 본 논문에서는 THz 마이크로볼로미터 어레이의 마이크로 브리지 구조에 금속 스플릿 링 공진기를 기반으로 하는 주기적 구조를 통합하여 넓은 주파수 범위에서 높은 THz 파장 흡수를 달성합니다. 35μm × 35μm의 작은 단위 크기로 다층 구조 어레이의 THz 파장 흡수 특성에 대한 분할 링 구조의 영향을 연구하여 공명 흡수 주파수를 조작합니다. 스플릿 링과 금속 디스크의 결합 구조를 통합하여 흡수 대역폭을 효과적으로 증가시킵니다. 광대역 THz 흡수는 다른 구조의 흡수 피크를 결합하여 형성됩니다. 금속 디스크와 결합된 이중
초록 삼중 흡수 피크를 가진 초박형 및 유연한 메타물질 흡수체(MA)가 이 백서에 나와 있습니다. 제안된 흡수체는 각각 99.9%, 99.5%, 99.9%의 흡수율로 8.5, 13.5, 17GHz(X 및 Ku 대역)에 3개의 흡수 피크가 위치하도록 설계되었습니다. 제안된 구조는 두께가 0.4mm에 불과하며 다양한 대역에서 흡수 주파수의 각 자유 공간 파장에 대해 약 1/88, 1/55 및 1/44입니다. MA는 대칭 기하학으로 인해 둔감합니다. 또한, 제안된 구조는 60° 입사각 내에서 최소 86% 흡수(TE 입사)를 나타냅니다.
