통합된 스플릿 링 공진자를 이용한 마이크로볼로미터 어레이의 광대역 테라헤르츠 흡수 향상

초록

본 논문에서는 금속 스플릿 링 공진자 기반의 주기적 구조를 테라헤르츠(THz) 마이크로볼로미터 어레이의 마이크로브리지 구조에 통합하여, 넓은 주파수 범위에서 높은 THz 파동 흡수를 달성했습니다. 35 μm × 35 μm의 작은 단위 크기로, 스플릿 링 구조가 다층 구조 어레이의 THz 파동 흡수 특성에 미치는 영향을 연구하여 공진 흡수 주파수를 제어했습니다. 스플릿 링과 금속 디스크의 결합 구조를 통합함으로써 흡수 대역폭을 효과적으로 증가시켰습니다. 서로 다른 구조의 흡수 피크를 결합시켜 광대역 THz 흡수를 형성했습니다. 금속 디스크와 결합된 이중 링 주기 구조는 4~7 THz 범위에서 광대역 THz 파동 흡수를 제공하며, 대역 내 최고 흡수율은 90%에 달하고 최저 흡수율도 40% 이상입니다. 설계된 구조는 공정 호환성이 높고, 넓은 스펙트럼 범위에서 높은 흡수율을 가지는 소형 픽셀 THz 마이크로볼로미터에 쉽게 구현할 수 있습니다. 이 연구는 실온에서 광대역 THz 센싱 및 실시간 이미징을 위한 방안을 제시합니다.

서론

파장 30 μm ~ 3 mm의 테라헤르츠(THz) 파동은 전자기 스펙트럼에서 매우 중요하지만 거의 탐구되지 않은 영역입니다. THz 기술의 응용 분야로는 보안 검색[1, 2], 의료[3, 4], 통신[5, 6], 천문학[7] 등이 있습니다. THz 파동의 생성 및 검출을 위한 소스와 장치의 발전 덕분에 최근 수년간 THz 기술은 괄목할 만한 진전을 이루었습니다[8, 9]. THz 검출기는 주로 광전 효과와 열 효과에 기반합니다. 초전도 볼로미터 같은 광자 검출기는 고감도, 고속 검출에 사용될 수 있으나[10, 11], 극저온으로 냉각해야 합니다. THz 파동을 흡수하여 열민감 막의 온도 변화를 일으키는 열 볼로미터 검출기는 실온에서 동작 가능하며, 대규모 어레이 집적, 단순한 구조, 저비용 측면에서 큰 장점을 가집니다[12,13,14]. THz 마이크로볼로미터 어레이는 마이크로브리지 구조를 가진 픽셀들로 구성되며, 이는 성숙한 적외선(IR) 마이크로볼로미터 기술에서 발전했고 동일한 열 변환 메커니즘을 THz 소스와 함께 갖추고 있습니다. 기존 마이크로브리지 구조의 치명적인 단점은 THz 파동 흡수가 낮아 감도가 떨어진다는 점입니다. THz 흡수 향상을 위해 임피던스 매칭 금속 박막과 목표 주파수에 맞춘 안테나를 통합하는 등 몇 가지 개선이 이루어졌습니다[15,16,17,18]. 그러나 금속 박막은 제한적인 흡수율(≤ 50%)을 보이며, 안테나 결합 마이크로브리지 구조는 일반적으로 좁은 THz 파동 흡수 피크를 가집니다. 넓은 스펙트럼 범위에서 높은 THz 흡수를 달성하기 위해 기존 3층 흡수체 상단에 얇은 유전체 층과 금속 층을 추가하는 방법[19]이나, 위상 결합법 및 강한 결합 반응을 이용해 흡수 대역폭을 개선하거나 다중 대역 흡수를 구현하는 방법[20,21,22,23]이 제안되었습니다. 하지만 대부분의 구조는 THz 마이크로볼로미터 어레이의 마이크로브리지 구조를 가진 소형 픽셀에 통합될 때 열적, 기계적 특성을 희생하지 않고는 통합이 어렵습니다.

스플릿 링 공진자는 주기적 구조에 갇힌 표면 플라즈몬을 여기시켜 전자기파를 조작하는 널리 연구된 구조입니다[24, 25]. 본 논문에서는 THz 마이크로볼로미터 어레이의 흡수율을 높이기 위해, 35 μm × 35 μm의 작은 크기를 가진 마이크로브리지 구조에 4개의 개구부를 가진 금속 스플릿 링을 THz 흡수층으로 통합했습니다. 흡수 대역폭을 늘리기 위해, 또 다른 스플릿 링과 결합된 스플릿 링, 알루미늄(Al) 디스크와 결합된 스플릿 링, Al 디스크와 결합된 이중 링 구조 등 여러 주기적 구조를 연구했습니다. 서로 다른 구조의 흡수 피크를 결합시켜 광대역 THz 흡수를 달성했습니다. Al 디스크와 결합된 이중 링 구조는 4~7 THz 범위에서 최고 흡수율 90%, 최저 흡수율 40% 이상의 광대역 THz 파동 흡수를 제공합니다. 위상 결합법과 강한 결합 반응 역시 대역폭 개선이나 다중 대역 흡수 구현에 기여할 수 있습니다.

결과 및 논의

THz 마이크로볼로미터 어레이는 초점면에서 2차원으로 반복 배열된 수많은 마이크로브리지 구조 픽셀로 구성되며, 각 픽셀은 독립적으로 THz 복사를 측정합니다. 마이크로브리지 구조는 그림 1a에 나타나 있으며, 민감한 다층 박막과 이를 지지하는 두 개의 다리로 이루어집니다. 다층 박막은 바닥부터 순서대로 250 nm 지지층(질화규소, Si₃N₄), 60 nm 열민감 막(산화바나듐, VOₓ), 150 nm 패시베이션층(Si₃N₄), THz 파동 흡수층(Al)으로 구성됩니다. 다리는 기계적 지지, 전기 및 열 통로 역할을 합니다. VOₓ 막은 다리를 통해 실리콘(Si) 기판에 집적된 판독 회로(ROIC)의 전극과 연결됩니다. 흡수층에 흡수된 THz 파동은 다층 박막의 온도 변화와 VOₓ 막의 저항 변화를 일으키며, 이는 ROIC에 의해 검출됩니다. Si 기판 위의 400 nm 두께 반사층(Al)과 민감 다층 박막 사이에는 열 절연을 위한 2-μm 높이의 캐비티가 형성됩니다. 본 논문에서는 그림 1b와 같이 4개의 개구부를 가진 스플릿 링을 마이크로브리지 구조의 THz 흡수층으로 통합했습니다. THz 흡수 대역폭을 늘리기 위해, 그림 1c의 이중 링 구조, 그림 1d의 스플릿 링과 Al 디스크 결합 구조, 그림 1e의 Al 디스크와 결합된 이중 링 구조도 함께 연구했습니다.

a 마이크로브리지 구조 단면도. b 4개 개구부를 가진 스플릿 링. c 이중 링 구조. d 스플릿 링과 Al 디스크 결합. e Al 디스크와 결합된 이중 링 구조. f 수직 입사광으로 조명된 THz 마이크로볼로미터 어레이의 단위 셀

그림 2a는 개구부 너비(s)가 다른 주기적 스플릿 링 구조의 THz 파동 흡수를 보여줍니다. 스플릿 링의 외반경은 15 μm, 내반경 10 μm, 두께 10 nm입니다. 개구부 너비가 1, 2, 4, 6 μm일 때 공진 흡수 주파수는 각각 5, 5.7, 6.2, 7.1 THz입니다. 각 구조의 최대 흡수율은 약 100%입니다. 개구부 너비가 증가함에 따라 공진 흡수 주파수도 증가합니다. 스플릿 링의 개구부는 등가 정전용량(C)으로, 금속 링 부분은 등가 인덕턴스(L)로 볼 수 있으며 공진 주파수(ω)는 ω = 1/√(LC)로 표현됩니다. 개구부 너비 증가는 등가 정전용량 감소와 공진 주파수 증가를 초래합니다. 따라서 더 작은 개구부 너비로 더 낮은 주파수에서 높은 공진 흡수를 달성할 수 있습니다. 그림 2b는 링 너비(d)가 다른 주기적 스플릿 링 구조의 THz 파동 흡수입니다. 외반경 15 μm, 개구부 너비 2 μm, 두께 10 nm 조건에서 링 너비가 감소함에 따라 공진 흡수 주파수와 최대 흡수율이 모두 감소합니다. 링 너비 5 μm에서 5.7 THz에 100%, 3 μm에서 5.3 THz에 97%의 최대 흡수율을 보이며, 1 μm에서는 공진 주파수 5 THz에 최대 흡수율이 60%로 떨어집니다. 링 너비 감소에 따른 등가 인덕턴스 증가가 공진 주파수 하락의 원인입니다.

a 개구부 너비(s)가 다른 주기적 스플릿 링 구조의 THz 파동 흡수. 외반경 15 μm, 내반경 10 μm, 두께 10 nm. b 링 너비(d)가 다른 주기적 스플릿 링 구조의 THz 파동 흡수. 외반경 15 μm, 개구부 너비 2 μm, 두께 10 nm.

주기적 스플릿 링 구조는 공진 주파수에서 높은 THz 파동 흡수를 제공하지만 흡수 피크가 좁습니다. 흡수 대역폭을 늘리기 위해 스플릿 링과 Al 디스크의 다양한 결합 구조를 마이크로브리지 구조 어레이에 통합했습니다. 그림 3a는 내측 스플릿 링의 외반경(rᵢ)이 다른 주기적 이중 링 구조의 THz 파동 흡수입니다. 개구부 너비 2 μm, 두께 10 nm, 외측 스플릿 링 외반경 17 μm, 두 링의 너비 모두 2 μm 조건입니다. 이중 링 구조는 두 개의 흡수 피크를 가집니다. 내측 스플릿 링의 외반경이 11에서 13 μm로 증가함에 따라 한 공진 흡수 주파수는 3.3 THz로 유지되고, 다른 하나는 5.1에서 4.3 THz로 감소합니다. 저주파와 고주파 흡수 피크는 각각 외측 및 내측 스플릿 링에 기인합니다. 두 스플릿 링이 가까워질수록 두 흡수 피크가 결합되어 더 넓은 흡수 대역을 형성하지만, 3.2~5.2 THz 흡수 대역에서 25~55%의 상대적으로 낮은 흡수율을 보입니다.

a 내측 스플릿 링의 외반경(rᵢ)이 다른 주기적 이중 링 구조의 THz 파동 흡수. 개구부 너비 2 μm, 두께 10 nm, 외측 링 외반경 17 μm, 두 링 너비 2 μm. b 디스크 반경(r_d)이 다른 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조의 THz 파동 흡수. 두께 10 nm, 스플릿 링 외반경 17 μm, 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm. c 디스크 반경(r_d)이 다른 두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조의 THz 파동 흡수. 두께 10 nm, 두 스플릿 링의 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 각각 17 μm, 14 μm.

그림 3b는 디스크 반경(r_d)이 다른 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조의 THz 파동 흡수입니다. 두께 10 nm, 스플릿 링 외반경 17 μm, 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm 조건입니다. 두 흡수 피크가 나타나며, 하나는 4.3 THz 근처에 위치해 디스크 반경에 따라 변하지 않습니다. 디스크 반경이 6에서 12 μm로 증가함에 따라 고주파 쪽 흡수 피크가 저주파 방향으로 이동하며 최대 흡수율 변화는 크지 않습니다. 4.3 THz 근처 피크는 스플릿 링에, 이동하는 고주파 피크는 Al 디스크에 기인합니다. 디스크 반경 12 μm에서 약 2 THz 폭의 광대역 흡수가 얻어집니다. 그림 3c는 두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조의 THz 파동 흡수로, 디스크 반경(r_d)에 따른 변화를 보입니다. 두께 10 nm, 두 스플릿 링의 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 14 μm 조건입니다. 외측 스플릿 링의 공진 흡수 주파수는 약 4.2 THz, 내측은 5.5~6 THz 사이입니다. Al 디스크 반경 7 μm에서 공진 피크가 8.2 THz에, 9 μm에서 6.5 THz로 이동하며 내측 스플릿 링의 흡수 피크와 결합합니다. 두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조는 4~7 THz에서 광대역 흡수를 제공하며, 대역 내 최고 흡수율 90%, 최저 흡수율 40% 이상을 달성합니다.

그림 4는 Al 디스크와 결합된 주기적 이중 링 구조에서 서로 다른 공진 흡수 주파수에서의 전기장 에너지 밀도, 자기장 에너지 밀도, 전력 손실 분포를 보여줍니다. 두께 10 nm, 두 스플릿 링의 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 14 μm, Al 디스크 반경 9 μm 조건입니다. 그림 3c에서 이 구조는 4.28, 5.74, 6.5, 8.5 THz에서 네 개의 흡수 피크를 가집니다. 네 공진 주파수에서의 전기장/자기장 에너지 밀도와 전력 손실 분포는 구조 내 THz 파동의 주요 흡수 영역을 보여줍니다. 외측 스플릿 링, 내측 스플릿 링, 디스크가 각각 4.28, 5.74, 6.5 THz에서의 공진 흡수에 주로 기여함을 확인할 수 있으며, 이는 앞선 흡수 피크 분석을 뒷받침합니다. 8.5 THz의 낮은 흡수 피크는 주기적 구조의 결합에 기인합니다. 그림 4d는 5.74 THz와 6.5 THz에서 이 구조의 전기장 밀도 분포 단면도입니다. 금속층과 유전체층에서 강한 전기장이 관측됩니다. 흡수는 주로 금속층에서의 옴손실과 유전체층에서의 유전손실에 기인하며, 대부분 지지층에서 발생하여 VOₓ 박막의 온도 상승으로 전환됩니다.

두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조에서 서로 다른 공진 흡수 주파수에서의 a 전기장 밀도 분포(위쪽 보기), b 자기장 밀도 분포(위쪽 보기), c 전력 손실, d 전기장 밀도 분포(단면도). 두께 10 nm, 두 스플릿 링의 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 14 μm, Al 디스크 반경 9 μm.

그림 5는 두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조에서 흡수층 두께(t)에 따른 THz 파동 흡수입니다. 그림 5a에서 두 스플릿 링의 링 너비 1 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 15 μm, Al 디스크 반경 13 μm, 인접 구조 간 거리 1 μm 조건입니다. 서로 다른 구조의 흡수 피크가 결합되어 넓은 흡수 대역을 형성합니다. 흡수층 두께가 증가함에 따라 흡수 대역폭은 좁아지지만, 30 nm 이상에서는 흡수 특성이 크게 변하지 않으며 비교적 안정적인 흡수를 보입니다. 그림 5b에서 두 스플릿 링의 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 13 μm, Al 디스크 반경 9 μm, 인접 구조 간 거리 2 μm 조건입니다. 흡수층 두께 10 nm에서 4~7 THz 범위의 광대역 흡수를 제공하며 대역 내 흡수율 40~90%를 보입니다. 두께가 증가함에 따라 흡수 대역이 점차 두 개의 독립적인 흡수 피크로 분리되며, 최대 흡수율은 매우 높지만 넓은 THz 흡수 대역 형성은 어려워집니다.

두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조의 흡수층 두께(t)에 따른 THz 파동 흡수. a 링 너비 1 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 15 μm, Al 디스크 반경 13 μm. b 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 13 μm, Al 디스크 반경 9 μm.

비스듬한 입사 조명 하의 흡수 특성을 조사하기 위해, 두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조에 대해 입사각 0°(정상 입사), 10°, 20°, 40°, 60°, 80°에서의 THz 파동 흡수를 시뮬레이션하여 그림 6에 나타냈습니다. 두 스플릿 링의 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 13 μm, Al 디스크 반경 9 μm, 두께 10 nm, 인접 구조 간 거리 2 μm 조건입니다. 입사각이 증가함에 따라 두 피크 흡수 주파수가 약간 저주파 방향으로 이동합니다. 입사각 30° 미만에서는 최대 흡수율 변화가 크지 않으나, 40° 이상에서는 흡수 강도가 크게 감소합니다.

두 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조의 입사각에 따른 THz 파동 흡수. 링 너비 2 μm, 개구부 너비 2 μm, 외반경 17 μm, 13 μm, Al 디스크 반경 9 μm, 두께 10 nm.

결론

단위 크기 35 μm × 35 μm의 마이크로브리지 구조 어레이에서 Al 스플릿 링 공진자 기반 주기적 구조를 연구하여 THz 마이크로볼로미터의 THz 파동 흡수 향상과 흡수 대역폭 증대를 도모했습니다. 스플릿 링 공진자의 공진 흡수 주파수는 개구부 너비와 링 너비에 의해 결정됩니다. 스플릿 링과 Al 디스크 결합 주기 구조를 마이크로브리지 구조 어레이에 통합했습니다. 서로 다른 구조의 흡수 피크를 결합시킴으로써 흡수 대역폭을 효과적으로 증가시켰습니다. 디스크와 결합된 이중 링 주기 구조에 의해 4~7 THz 주파수 범위에서 흡수율 40~90%의 높은 THz 파동 흡수가 달성되었습니다. 이 구조는 THz 마이크로볼로미터가 요구하는 소형 픽셀 크기, 높은 흡수율, 넓은 스펙트럼 응답 조건을 충족합니다.

방법

CST Microwave Studio 2016을 사용해 유한 요소 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 그림 1f와 같이 크기 35 μm × 35 μm의 THz 마이크로볼로미터 어레이 단일 입방체 단위 셀을 시뮬레이션했습니다. 파동 벡터 k는 z 방향으로 전파되며, 완전 전기장은 x-z 평면, 완전 자기장은 y-z 평면에 있습니다. 입방체 단위 셀의 상하 면에 입출력 포트를 설정하여 각각 포트 "1", 포트 "2"로 표시했습니다. 시뮬레이션으로 주파수 의존 복소 S-파라미터를 얻었으며, 주기적 경계 조건(PBC)을 x, y 방향으로 적용하여 포트 "1"에서의 반사율 R = |S₁₁|², 포트 "2"에서의 투과율 T = |S₂₁|²을 구했습니다. 주기적 구조의 흡수율은 A = 1 − |S₁₁|² − |S₂₁|²로 계산했습니다. 그림 1b-e의 구조들에 대해 Al 흡수층과 반사층은 Drude 모델로 모델링했으며, 플라즈마 주파수 ω_p = 92,700 cm⁻¹, 산란 주파수 ω_τ = 408 cm⁻¹을 사용했습니다[26]. 총 두께 400 nm의 지지층과 패시베이션층은 CST의 2차 분산 모델(피팅)을 가진 광학 Si₃N₄ 박막으로, 투자율 1로 모델링했습니다. 캐비티는 유전율 1, 투자율 0 S/m로 모델링했습니다.

데이터 및 재료 가용성

본 논문의 결론을 뒷받침하는 모든 데이터는 논문 내에 포함되어 있습니다.

약어

THz:

테라헤르츠

IR:

적외선

Al:

알루미늄

Si₃N₄:

질화규소

VOₓ:

산화바나듐

ROIC:

판독 집적 회로

Si:

실리콘

PBC:

주기적 경계 조건