분리형 공진기와 통합된 Microbolometer 어레이의 광대역 THz 흡수

결과 및 토론

THz 마이크로볼로미터 어레이는 초점면에 2차원으로 반복 배열된 많은 마이크로 브리지 구조의 픽셀로 구성됩니다. 각 픽셀은 THz 방사를 독립적으로 측정합니다. 민감한 다층 필름과 필름을 지지하는 두 개의 다리로 구성된 마이크로 브리지 구조가 그림 1a에 나와 있습니다. 다층 필름은 250nm 지지층(실리콘 질화물, Si₃ N₄ ), 60nm 감열막(바나듐 산화물, VO_x ), 150nm 패시베이션 층(Si₃ N₄ ) 및 아래에서 위로 THz 파장 흡수층(Al). 다리는 기계적 지지, 전기 및 열 채널에 사용됩니다. VO_x 필름은 실리콘(Si) 기판에 통합된 판독 회로(ROIC)의 전극과 함께 다리를 통해 연결됩니다. 흡수층에 흡수된 THz파는 다층막의 온도변화와 VO_x의 저항변화를 일으킨다. ROIC에서 감지한 필름입니다. Si 기판 위의 400nm 두께의 반사층(Al)과 민감한 다층막 사이에 2μm 높이의 단열 캐비티가 형성됩니다. 이 논문에서는 그림 1b와 같이 4개의 구멍이 있는 분할 링을 THz 흡수층으로 마이크로 브리지 구조에 통합했습니다. THz 흡수 대역폭을 높이기 위해 그림 1c와 같은 이중 링 구조, 그림 1d와 같은 Al 디스크와 결합된 분할 링 및 그림 1e와 같은 Al 디스크와 결합한 이중 링 구조 또한 연구됩니다.

분할 링 공진기와 결합된 마이크로 브리지 구조의 설계. 아 마이크로 브리지 구조의 단면도. ㄴ 4개의 구멍이 있는 분할 링. ㄷ 이중 링 구조. d Al 디스크와 결합된 분할 링. 이 Al 디스크와 결합된 이중 링 구조. 에 수직 입사광에 의해 조명된 THz 마이크로볼로미터 어레이의 단일 단위 셀

그림 2a는 개구부 폭이 다른 주기적인 분할 링 구조의 THz 파장 흡수를 보여줍니다( ). 분할 링의 외부 반경은 15μm, 내부 반경은 10μm, 두께는 10nm입니다. 분할 링의 개구 폭이 1μm, 2μm, 4μm 및 6μm일 때 공진 흡수 주파수는 각각 5THz, 5.7THz, 6.2THz 및 7.1THz입니다. 각 구조의 피크 흡수는 약 100%입니다. 개구 폭이 증가함에 따라 공진 흡수 주파수가 증가합니다. 분할 링의 개구부는 등가 커패시턴스(C ) 스플릿 링의 금속 링 부분은 등가 인덕턴스(L ) 및 공진 주파수(\(\omega\))는 \(\omega =\frac{1}{\sqrt{LC}}\)로 표현될 수 있습니다. 개구 폭이 증가하면 등가 정전 용량이 감소하고 공진 주파수가 증가합니다. 따라서, 더 작은 스플릿 링의 개방 폭으로 더 낮은 주파수에서 높은 공진 흡수를 달성할 수 있다. 그림 2b는 서로 다른 링 너비(d)를 가진 주기적 분할 링 구조의 THz 파장 흡수를 보여줍니다. ). 분할 링의 외부 반경은 15μm, 개구부 너비는 2μm, 두께는 10nm입니다. 링 폭이 감소함에 따라 공명 흡수 주파수와 피크 흡수가 감소함을 알 수 있다. 피크 흡수는 링 너비가 각각 5μm 및 3μm일 때 5.7THz에서 100% 및 5.3THz에서 97%에 도달합니다. 링 너비가 1μm일 때 공명 흡수 주파수는 5THz이고 피크 흡수는 60%로 감소합니다. 공진 흡수 주파수의 감소는 링 폭이 감소함에 따라 등가 인덕턴스가 증가하기 때문입니다.

아 개방 폭이 다른 주기적인 분할 링 구조의 THz 파장 흡수(s ). 분할 링의 외부 반경은 15μm, 내부 반경은 10μm, 두께는 10nm입니다. ㄴ 링 폭이 다른 주기적인 분할 링 구조의 THz 파장 흡수(d ). 분할 링의 외부 반경은 15μm, 개구부 너비는 2μm, 두께는 10nm입니다.

주기적 분할 링 구조는 공진 주파수에서 높은 THz 파장 흡수를 제공할 수 있습니다. 그러나 흡수 피크는 좁습니다. 흡수 대역폭을 증가시키기 위해 스플릿 링과 Al 디스크의 여러 다른 조합의 주기적 구조가 마이크로 브리지 구조 어레이에 통합되었습니다. 그림 3a는 내부 분할 링(r _나 ). 이중 링 구조는 개구부 너비가 2μm이고 두께가 10nm입니다. 외부 분할 링의 외부 반경은 17μm이고 두 분할 링의 너비는 2μm입니다. 이중 고리 구조에는 두 개의 흡수 피크가 있습니다. 내부 분할 링의 외부 반경이 11에서 13μm로 증가함에 따라 하나의 공진 흡수 주파수는 3.3THz에서 변경되지 않고 유지되고 다른 공진 흡수 주파수는 5.1에서 4.3THz로 감소합니다. 더 낮은 주파수와 더 높은 주파수에서 흡수 피크는 각각 외부 스플릿 링과 내부 스플릿 링에 의해 기여됩니다. 두 개의 분할 고리가 가까울수록 두 개의 흡수 피크가 서로 결합되어 더 넓은 흡수 대역을 형성합니다. 그러나 이 구조는 3.2~5.2THz의 흡수대역에서 25~55%의 비교적 낮은 흡수율을 보인다.

아 내부 분할 링(r)의 외부 반경이 다른 주기적인 이중 링 구조의 THz 파장 흡수 _나 ). 이중 링 구조는 개구부 너비가 2μm이고 두께가 10nm입니다. 외부 분할 링의 외부 반경은 17μm이고 두 분할 링의 너비는 2μm입니다. ㄴ 서로 다른 반경의 디스크(r)를 갖는 Al 디스크와 분할 링 조합의 주기적 구조의 THz 파 흡수 _d ). 주기적 구조의 두께는 10nm입니다. 분할 링의 외부 반경은 17μm, 링 너비는 2μm, 개구부 너비는 2μm입니다. ㄷ 디스크의 반지름이 다른 두 개의 분할 링과 Al 디스크의 조합의 주기적 구조의 THz 파 흡수(r _d ). 주기적 구조의 두께는 10nm입니다. 두 개의 분할 링은 각각 2μm의 링 너비, 2μm의 개구부 너비 및 17μm 및 14μm의 외부 반경을 가집니다.

서로 다른 반경의 디스크(r)를 갖는 Al 디스크와 분할 링 조합의 주기적 구조의 THz 파 흡수 _d )는 그림 3b에 나와 있습니다. 주기적 구조의 두께는 10nm입니다. 분할 링의 외부 반경은 17μm, 링 너비는 2μm, 개구부 너비는 2μm입니다. 주기적인 구조에는 두 개의 흡수 피크가 있습니다. 흡수 피크 중 하나는 4.3THz 부근에 위치하며 이는 Al 디스크의 반경에 따라 변하지 않습니다. 디스크의 반경이 6에서 12μm로 증가함에 따라 더 높은 주파수의 다른 흡수 피크는 더 낮은 주파수 방향으로 이동하고 피크 흡수의 변화는 크지 않습니다. 4.3 THz 부근의 흡수 피크는 split-ring에 의해 기여되고, 디스크 구조의 변화와 함께 이동하는 더 높은 주파수에서의 흡수 피크는 Al 디스크에 의해 기여됩니다. 디스크의 반경이 12μm일 때 약 2THz의 너비로 광대역 흡수를 얻습니다. 그림 3c는 두 개의 분할 링과 디스크의 반경이 다른 Al 디스크의 조합(r _d ). 주기적 구조의 두께는 10nm입니다. 두 개의 분할 링은 각각 2μm의 링 너비, 2μm의 개구부 너비 및 17μm 및 14μm의 외부 반경을 가지고 있습니다. 공명 흡수 주파수는 외부 스플릿 링의 경우 약 4.2THz이고 내부 스플릿 링의 경우 5.5~6THz입니다. Al 디스크의 반경이 7μm일 때 공명 흡수 피크는 8.2THz입니다. 디스크의 반경이 9μm일 때 흡수 피크는 6.5THz로 이동하고 내부 스플릿 링의 흡수 피크와 결합합니다. 두 개의 분할 링과 Al 디스크 조합의 주기적인 구조는 4~7THz에서 광대역 흡수를 제공합니다. 밴드에서 가장 높은 흡수율은 90%에 도달하고 가장 낮은 흡수율은 40%보다 높습니다.

그림 4는 서로 다른 공진 흡수 주파수에서 Al 디스크와 결합된 주기적인 이중 링 구조의 전기장 에너지 밀도, 자기장 에너지 밀도 및 전력 손실의 분포를 보여줍니다. 주기적 구조의 두께는 10nm입니다. 두 개의 분할 링은 각각 2μm의 링 너비, 2μm의 개구부 너비 및 17μm 및 14μm의 외부 반경을 가지고 있습니다. Al 디스크의 반경은 9μm입니다. 그림 3c와 같이 이 주기적 구조는 4.28THz, 5.74THz, 6.5THz 및 8.5THz의 주파수에서 4개의 흡수 피크를 가지고 있습니다. 4개의 공진 흡수 주파수에서의 전기장 에너지 밀도, 자기장 에너지 밀도 및 전력 손실의 분포는 구조에서 THz파의 주요 흡수 영역을 보여줍니다. 외부 분할 링, 내부 분할 링 및 디스크가 각각 4.28THz, 5.74THz 및 6.5THz에서 공명 흡수에 주로 기여함을 알 수 있습니다. 이것은 흡수 피크의 이전 분석을 지원합니다. 8.5THz에서 낮은 흡수 피크는 주기적 구조의 결합에 기인합니다. 그림 4d는 5.74THz 및 6.5THz의 공명 흡수 주파수에서 Al 디스크와 결합된 주기적인 이중 링 구조의 전계 밀도 분포의 단면도를 보여줍니다. 강한 전기장은 금속층과 유전층에서 관찰될 수 있습니다. 흡수는 주로 금속층의 옴 손실과 유전층의 유전 손실에 기인합니다. 대부분의 흡수는 지지층에서 발생하며 VO_x의 온도 상승으로 변환될 수 있습니다. 박막.

전기장 밀도 분포의 평면도(a ), 자기장 밀도 분포(b ), 전력 손실(c ) 및 전기장 밀도 분포의 단면도(d ) 서로 다른 공명 흡수 주파수에서 Al 디스크와 결합된 두 개의 분할 링의 주기적인 구조. 주기적 구조의 두께는 10nm입니다. 두 개의 분할 링은 각각 2μm의 링 너비, 2μm의 개구부 너비 및 17μm 및 14μm의 외부 반경을 가지고 있습니다. Al 디스크의 반경은 9μm

두 개의 분할 링과 두께가 다른 Al 디스크 조합의 주기적 구조의 THz 파장 흡수(t )은 그림 5에 나와 있습니다. 그림 5a의 주기적 구조에서 두 개의 분할 링은 링 너비가 1μm, 개구부 너비가 2μm, 외부 반경이 각각 17μm 및 15μm입니다. Al 디스크의 반경은 13μm입니다. 인접한 구조 사이의 거리는 1μm입니다. 서로 다른 구조의 흡수 피크가 결합되어 넓은 흡수 밴드를 형성합니다. 흡수층의 두께가 증가할수록 흡수 대역폭은 좁아진다. 그러나 두께가 30nm 이상일 경우 주기적 구조의 흡수 특성이 크게 변하지 않아 상대적으로 안정적인 흡수를 보입니다. 그림 5b의 주기적 구조에서 두 개의 분할 링은 링 너비가 2μm, 개구부 너비가 2μm, 외부 반경이 각각 17μm 및 13μm입니다. Al 디스크의 반경은 9μm입니다. 인접한 구조 사이의 거리는 2μm입니다. 흡수층의 두께가 10nm일 때 이 주기적 구조는 대역에서 40~90%의 THz 파장 흡수와 함께 4~7THz에서 광대역 흡수를 제공합니다. 두께가 증가함에 따라 흡수 밴드는 점차적으로 두 개의 독립적인 흡수 피크가 됩니다. 피크 흡수가 매우 높지만 THz파의 넓은 흡수 대역을 형성하기 어렵습니다.

두 개의 분할 링과 두께가 다른 Al 디스크 조합의 주기적 구조의 THz 파장 흡수(t ). 아 2개의 분할 링은 링 너비가 1μm, 개구부 너비가 2μm, 외부 반경이 각각 17μm 및 15μm입니다. Al 디스크의 반경은 13μm입니다. ㄴ 두 개의 분할 링은 링 너비가 2μm, 개구부 너비가 2μm, 외부 반경이 각각 17μm 및 13μm입니다. Al 디스크의 반경은 9μm

경사 입사 조명 하에서 흡수 특성을 조사하기 위해 0°(수직 입사), 10°, 20°, 40°의 서로 다른 입사각을 갖는 두 개의 분할 링과 Al 디스크 조합의 주기적 구조의 THz 파장 흡수 °, 60° 및 80°가 시뮬레이션되고 그림 6에 표시됩니다. 주기적인 구조에서 두 개의 분할 링은 링 너비가 2μm, 개구부 너비가 2μm, 외부 반경이 17μm 및 13μm입니다. , 각각. Al 디스크의 반경은 9μm이고 두께는 10nm입니다. 인접한 구조 사이의 거리는 2μm입니다. 입사각이 증가함에 따라 두 피크 흡수 주파수는 더 낮은 주파수 방향으로 약간 이동합니다. 입사각이 30° 미만인 경우 피크 흡수율의 변화가 크지 않습니다. 그러나 입사각이 40°보다 크면 흡수 강도가 크게 떨어집니다.

두 개의 분할 링과 입사각이 다른 Al 디스크 조합의 주기적 구조의 THz 파 흡수. 두 개의 분할 링은 각각 2μm의 링 너비, 2μm의 개구부 너비 및 17μm 및 13μm의 외부 반경을 가지고 있습니다. Al 디스크의 반경은 9μm이고 두께는 10nm입니다.