スパイラル型アンテナによるマイクロブリッジ構造のTHzマイクロボロメータの周波数変調と吸収改善

背景

テラヘルツ（THz）放射（0.1〜10 THz、1 THz =10 ¹² Hz）は、広帯域、低エネルギー浸透、スペクトル吸収[1、2]の独自のスペクトル特性を備えていることが証明されており、分子分光法[3]、疾患診断[4]、センシング、およびイメージングにおけるさまざまなアプリケーションに魅力的です。 [5、6]。ただし、この周波数範囲は、THzで調整されたソースと検出器の不足によって制限されており、これまで十分に活用されていません。過去20年間で、超高速電子機器、レーザーテクノロジー、および小規模半導体テクノロジーの開発により、テラヘルツ波の放射と検出に効果的な方法が提供されてきました。量子カスケードレーザー（QCL）は、遠赤外線CO ₂ で、調整可能な周波数[7、8]で線放射を放射できます。 2.52テラヘルツ波を放射するガスレーザーは、はるかに高い放射パワーを提供します[9]。現在、THz検出器は、主にTHz信号を直接測定できる2種類の効果、光子効果と光熱効果に基づいています。光子検出器は、吸収されたTHz放射の光電効果に基づいて機能します。これには、超伝導体-絶縁体-超伝導体トンネル接合（SIS）[10]や、光伝導モードまたは光起電力モードで動作する量子ウェル（QW）検出器[11,12,13,14]が含まれます。 。光子検出器は感度が高く、応答時間が短いですが、波長が選択的であり、多くの場合、冷却が必要です。室温焦電検出器[15]やマイクロボロメータ[8、9]などの光熱検出器は、THz放射のエネルギーを吸収し、それを熱感受性フィルムの抵抗率または自発的な偏光変化に変換します。マイクロボロメータ検出器は、広い波長応答で室温で動作でき、焦電検出器と比較して、アレイの統合とコストに大きな利点があります。 THzマイクロボロメータ検出器の開発は、同じ熱変換メカニズムを備えた成熟した赤外線（IR）マイクロボロメータ技術の恩恵を受けています。最近では、適切な照明源を備えたIRマイクロボロメータ焦点面アレイ（FPA）に基づいて、THzセンシングおよびイメージングシステムの理論的研究と実験的検証が報告されています[7、16]。ただし、従来のマイクロブリッジ構造を備えたこのようなIR検出器は、THz放射の吸収が不十分なため、THz範囲での感度が低くなります[17]。

従来のマイクロボロメータマイクロブリッジ構造のTHz吸収を強化するために、いくつかの改善が行われました。抵抗損失によりTHz波を吸収することが証明されているインピーダンス整合金属薄膜は、熱容量が低く、熱伝導率が高く、THzマイクロの製造プロセスとの互換性が高いため、マイクロブリッジ構造の吸収層として最初に選択されます。ボロメータ[18、19]。金属薄膜の吸収は、準備プロセスの制御と表面改質によってさらに改善することができます[20]。しかし、単一金属薄膜の吸収効果は、50％の理想的な吸収率で制限されます[21]。メタマテリアルアブソーバーとイルミネーター周波数に調整されたアンテナをボロメーターに統合して、構造内のオーム損失と誘電損失による高吸収を実現できます[22、23]。アンテナ結合マイクロブリッジ構造は、マイクロボロメータとの統合における互換性を高めるために、高い吸収と感度を実現するためのより効果的な方法であることが証明されています。アンテナはTHz波の高い吸収を提供し、マイクロブリッジ構造は高性能の熱検出を保証します。アンテナ結合酸化バナジウム（VO _x ）94 GHzで動作する薄膜ボロメータ[24]と、0.5〜1.5 THzに敏感なアンテナ結合金属酸化膜半導体FET（MOSFET）マイクロボロメータ[25、26]が報告されています。 2.5 THzでのリアルタイムイメージングは​​、THz放射源としてQCLを備えたアンテナ結合マイクロボロメータFPAを使用してCEA-Letiによって開発されました[27]。ほとんどの場合、平面アンテナ構造は、大きな吸収領域と単純な製造プロセスのために採用されています。ただし、加熱速度が速く、熱応答時間が短くなるため、平面アンテナよりもバルク体積が小さいワイヤーアンテナの方が適しています[28]。

以前の研究[29]では、スパイラルタイプのワイヤーアンテナが35μm×35μmのマイクロボロメータマイクロブリッジ構造で導入され、2.52テラヘルツ波の吸収を改善するために脚を伸ばした新しいタイプのスパイラルアンテナが事前に提案されました。 。ただし、アンテナ構造の最適化された設計と、THz吸収、光熱効果、および製造プロセスの特性に関する詳細な議論は達成されていません。この論文では、25μm×25μmという非常に小さいサイズのマイクロブリッジ構造に基づいて、3種類のスパイラル型アンテナを提案し、1つの別個の線形アンテナ、2つの別個の線形アンテナによるTHz吸収増強と吸収周波数変調を行います。 、またはサポート層の従来のスパイラルタイプのアンテナに加えて、ブリッジレッグに接続された2つのリニアアンテナ。構造パラメータの最適化と各タイプのアンテナの吸収特性の分析により、アンテナ結合マイクロブリッジ構造の好ましいスキームが得られ、2.52THz付近の広い吸収ピークまたは2.52THzでの安定した吸収に対して、高度な統合、簡素化された製造プロセス、および速い加熱速度。

結果と考察

スパイラルタイプのアンテナは、ターゲット周波数が2.52 THzのマイクロブリッジ構造に基づいて、THzマイクロボロメータFPAの吸収を強化および変調するように設計されています。図1aに示す、ピクセル間隔が25μmのFPAの1つのピクセルは、約20μm×20μmのサイズの中央の敏感な領域と、敏感な領域を支える2本の長い脚で構成されています。敏感な領域は、0.4μmの窒化ケイ素（Si ₃ ）で作られた支持層を含む多層膜で構成されています。 N ₄ ）フィルム、感熱層（VO _x 薄膜）、厚さ70 nm、0.05μmのアルミニウム（Al）薄膜でできたTHz吸収層として機能するスパイラル型アンテナ。厚さ0.2μmのニッケル-クロム（NiCr）薄膜を反射層として感応領域の下に配置し、高さ2μmの共振空洞を形成して、IR放射の吸収とTHz放射の熱絶縁を最適化します。スパイラルタイプのアンテナ構造は、Si ₃ にあります。 N ₄ サポート層で、外径は18μmに制限されています。支持層のサイズ制限を目的として、図1bに示す支持層上の従来のスパイラル型アンテナに加えて、新しいスパイラル型アンテナ結合マイクロブリッジ構造が提案されています。線形アンテナが導入され、ブリッジの脚に統合されます。これにより、サポート層の元のスパイラルタイプのアンテナの面積が増加します。図1c–eは、ブリッジレッグにそれぞれ1つの別個の線形アンテナ、2つの別個の線形アンテナ、および2つの接続された線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナを示しています。

スパイラル型アンテナ結合マイクロブリッジ構造の設計。 a マイクロブリッジ構造のモデル。 b 支持層のスパイラル型アンテナ。 c ブリッジレッグの1つに単一の独立したリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ。 d ブリッジレッグに2つの別々のリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ。 e ブリッジレッグに2本のリニアアンテナが接続されたスパイラルタイプのアンテナ。 f 垂直入射光の電界と磁界の方向

サポートレイヤー上のスパイラルタイプアンテナ

図1bに示すように、従来のスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造は、最初にサポート層のアンテナを使用して研究されました。スパイラル型アンテナの構造パラメータ（図1bに示されている）が最適化され、THz吸収特性に対する各パラメータの影響が議論されました。

アンテナ線幅が1μmで回転角（アンテナの中心から始まる回転角）が360 * n のサポート層上のスパイラルタイプのアンテナの場合 （ n 0.5〜2.0の変化）、 n のアンテナ結合マイクロブリッジ構造の吸収ピーク位置とピーク吸収率の変化 それぞれ図2a、bに示されています。

吸収ピーク位置の変動曲線（ a ）およびピーク吸収率（ b ）およびTHz波吸収曲線（ c ）回転角が異なるマイクロブリッジ構造（360 * n ）サポート層上のスパイラル型アンテナの

図2a、bから、 n の場合、ピーク吸収周波数とピーク吸収率が低下することがわかります。 0.5から0.9に増加します。 n の場合、ピーク吸収率は4.1 THzで65％に低下します。 =0.9そして n のとき3.5THzで90％に増加します =1. n の場合 =1〜1.5、ピーク吸収周波数とピーク吸収率は回転角の増加とともに減少し続けます。 n の場合、ピーク吸収周波数は2.64THzに低下します。 =1.5;ただし、ピーク吸収率は22.8％に低下します。 n の場合、2.53 THzで30％の吸収が得られます。 =1.6。 n の場合、最小ピーク吸収周波数は2.39THzで発生します。 =1.7そして n のとき、吸収周波数は4.45THzに増加します =1.8。 n の場合 =1.8〜2、ピーク吸収周波数は再び減少しますが、ピーク吸収率は回転角の増加とともに増加します。図2aは、 n を含むいくつかの異なる範囲で、回転角の増加に伴って吸収周波数が減少し続けることを示しています。 =0.5〜1、 n =1.1〜1.7、および n =1.8〜2。 n の場合も、ピーク吸収率は低下し続けます。 =0.5〜0.9、 n =1〜1.5、および n =1.6〜1.7。回転角が大きいアンテナ（360 * n ） n の場合> 2は、サポートレイヤーのサイズ制限のため、考慮されません。マイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線を、さまざまな回転角（360 * n ）で図2cに示します。 、 n =1.1〜1.7）サポート層のスパイラル型アンテナ。各吸収曲線には周波数軸に沿って複数の吸収ピークがあり、最低周波数での吸収ピークを使用して図2a、bをプロットし、高出力遠赤外線CO _{2 ガスレーザー。図2は、 n のときに2.52THz付近で吸収ピークが得られることを示しています。 =1.6、吸収率は30％と低い。}

図3a、bは、 n の場合のサポート層にスパイラル型アンテナを備えたマイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線を示しています。 =1.6、線幅が異なる（ w ）と間隔（ g ）、 それぞれ。線幅と間隔の増加に伴い、ピーク吸収率がゆっくりと増加する一方で、ピーク吸収頻度が大幅に減少することがわかります。 n の場合も、同様の結論が得られます。 =1.1。線幅と間隔を大きくすると、アンテナのサイズが大きくなります。アンテナ面積の増加は吸収周波数を下げるのに適しているようですが、吸収率にはあまり寄与しません。

n の場合の支持層にスパイラル型アンテナを備えたマイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線 =1.6、線幅が異なる（ a ）と異なる間隔（ b ）

[29]で報告されている35μm×35μmのピクセル構造と比較してピクセルサイズが小さいため、ピクセルサイズが25μm×25μmのスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造では、2.52THz付近の吸収がより不十分になります。 n の場合、2.77 THzで45％の高い吸収率を提供します。 = n の場合、2.99 THzで1.1および46％ =2.1。以前に結論したように、アンテナ面積を増やすことは吸収周波数変調の効果的な方法ですが、それはサポート層のサイズによって制限され、25μm×25μmピクセルではさらに厳しくなります。

ブリッジレッグの1つに単一の独立したリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ

マイクロブリッジ構造の脚は、機械的サポートと電気および熱チャネルの役割を果たします。長いブリッジレッグは、低い熱伝導率を提供し、マイクロブリッジ構造の断熱性能を向上させることができます。しかしながら、それはまた、敏感な領域の有効サイズを減少させ、吸収フィルムまたは構造のサイズを制限する。より低い周波数で高い吸収率を達成するために、アンテナの面積を増やすために線形アンテナがブリッジレッグに導入されています。図1cは、ブリッジレッグの1つに単一の独立したリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナを示しています。

我々の研究は、敏感な領域側に近いブリッジレッグの線形アンテナのポートが強い結合吸収効果を持っていることを示しました。そこで、回転角を360 * n に設定します。 （ n =1.1および n =1.6）、アンテナの線幅は1 µm、間隔は2.5 µm（ n =1.1）および1.4μm（ n =1.6）そして距離を調整しました（ i 、図1cに部分的に拡大された図で示されています）、ブリッジレッグのアンテナポートとブリッジレッグと敏感な領域の間の接続の間。 n の場合の、異なる線形アンテナ位置のブリッジレッグの1つに単一の別個の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線 =1.1および n =1.6をそれぞれ図4a、bに示します。

n の場合、ブリッジレッグの1つに単一の個別の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線 =1.1（ a ）および n =1.6（ b ）さまざまな線形アンテナ位置の場合

図4aに示すように、ブリッジレッグにアンテナを導入すると、3.5 THz付近の元の吸収ピークに加えて、新しい吸収ピークがより低い周波数で現れます。ブリッジレッグのアンテナポートが敏感な領域に近づくと（ i − 2.5から2μmに変化します）、より高い周波数での吸収はほぼ同じままですが、ピーク吸収率と吸収周波数はより低い周波数で減少します。ブリッジレッグのアンテナが低周波数での吸収に寄与することが明らかになります。 n の場合の単一の独立した線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナの吸収曲線 =1.6は、図4bに示されているように、2.52THz付近に広い吸収ピークがあることを示しています。これは、支持層のスパイラル型アンテナの吸収ピークとブリッジレッグのアンテナの吸収ピークが近接位置で発生するためです。 i として − 2.5から−1μmに変化すると、2つの吸収ピークが互いに近づき、吸収帯が広がります。 i の場合、0.4 THzの帯域幅で40％を超える広い吸収が得られます。 =− 1.5であり、 i の場合、0.3THzのハーフピーク幅で単一の広い吸収ピークが達成されます。 =−1。

ブリッジレッグに2つの別々のリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ

図1dに示すように、2つの別個の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナの場合、 n の場合の、異なる線形アンテナ位置でのスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線 =1.1および n =1.6、線幅や間隔などの他の構造パラメータと同じ設定をそれぞれ図5a、bに示します。テラヘルツ吸収の変動は、一般に、図4に示す単一の独立した線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナと同じ傾向があります。マイクロブリッジ構造の2つの脚は両方ともアンテナを準備するために使用されるため、アンテナのがさらに拡大されます。これにより、 n の場合、低周波数ではるかに高い吸収率（90％以上）が得られます。 =1.1図5aに示すように、単一の独立したリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナと比較。ブリッジレッグにアンテナを導入すると、元の高周波での吸収も増加します。 n の場合、図5bでも広い吸収ピークが得られます。 =1.6と吸収が大幅に向上します。 n の場合、ブリッジレッグに2つの別個の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナであると結論付けることができます。 =1.6は、広帯域での吸収が高いため、マイクロブリッジ構造に基づくTHzマイクロボロメータFPAでの使用に適しています。

n の場合の、ブリッジ脚に2つの別個の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線 =1.1（ a ）および n =1.6（ b ）さまざまな線形アンテナ位置の場合

図6は、以前に設計された3種類のスパイラル型アンテナ結合マイクロブリッジ構造の電界と磁界のエネルギー密度図を示しています。図6a、bから、支持層上のスパイラル型アンテナの場合、電界エネルギーの吸収は主にスパイラル型アンテナの中央と両端で発生し、アンテナ線が吸収の大部分を占めることがわかります。 [29]で報告された私たちの以前の研究と一致する磁場エネルギーの。図6c、dは、電界エネルギーの強い結合吸収効果が、敏感な領域側に近いブリッジレッグの単一の個別のリニアアンテナのポートで発生し、レッグのアンテナも磁界エネルギーの吸収に寄与することを示しています。 。図6e、fに示すように、ブリッジレッグに2つの別個の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナでも同様の現象が観察されます。電界エネルギーと磁界エネルギーの両方の吸収は、吸収領域で増加し、アンテナ領域の拡大により吸収強度が向上します。図6g、hは、 n の場合の、ブリッジ脚に2つの別個の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナと組み合わせたマイクロブリッジ構造の電力損失分布を示しています。 =1.6および i =−2それぞれ上面図と側面図から。図6hから明らかなように、電力損失はほぼ完全に中央の敏感な領域に限定されており、感熱性VO _x の温度上昇を引き起こす可能性があります。 中央の敏感な領域に統合された薄膜。中央スパイラルタイプのアンテナによって引き起こされる電力損失は主にアンテナ層で発生しますが、ブリッジレッグ上の個別の線形アンテナによって引き起こされる損失のほとんどはSi ₃ で発生します。 N ₄ サポートレイヤー。これは、図5aの高周波での吸収ピークは中央スパイラル型アンテナのオーム損失によって引き起こされ、低周波数での吸収ピークは誘電損失によるブリッジレッグ上の分離した線形アンテナに起因することを意味します。図5bに示すように、広い吸収ピーク。透過係数と反射係数に基づく（ S 構造のパラメータ）、散乱データを反転して屈折率（ n を決定できます） ）およびインピーダンス（ z ）、そこから実効誘電率の自己無撞着値（ε ）および透過性（μ ）を取得できます[30]。図7a、bは、 n の場合に、2つの別々の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナと結合されたマイクロブリッジ構造の周波数の関数としての実効透磁率と誘電率の実数部と虚数部を示しています。 =1.6および i =− 2、それぞれ。図7から、明らかな共振が2.52 THz付近で発生し、図5bに示すようにTHz放射と2つの吸収ピークの損失を引き起こすことがわかります。

電界エネルギー密度、磁界エネルギー密度、および電力損失の分布。電場のエネルギー密度図（ a ）および磁場（ b ） n の場合のサポート層のスパイラル型アンテナの場合 =1.6;電場のエネルギー密度図（ c ）および磁場（ d ） n の場合、単一の独立したリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナの場合 =1.6および i =− 2;電場のエネルギー密度図（ e ）および磁場（ f ） n の場合、2つの別々の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナの場合 =1.6および i =− 2; n の場合、2つの別々の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナと結合されたマイクロブリッジ構造の電力損失分布 =1.6および i =− 2上面図から（ g ）および側面図（ h ）

実効透磁率の実数部と虚数部（ a ）および誘電率（ b ） n の場合、2つの別々の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナと結合されたマイクロブリッジ構造の周波数の関数として =1.6および i =− 2

ブリッジレッグに2つのリニアアンテナが接続されたスパイラルタイプのアンテナ

図1eに示す別の種類のスパイラルタイプのアンテナは、ブリッジの脚に2つの接続された線形アンテナを使用して提案されました。図8は、 n の場合のスパイラル型アンテナ結合マイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線を示しています。 =1.6、 g （間隔）=1.4μm（さまざまな線幅（ f ） ）。図8には、2つの明らかな吸収ピークが見られます。アンテナ線幅の増加に伴い、ピーク吸収位置はゆっくりと低い周波数に移動しますが、ピーク吸収率はほとんど変化しません。 f の場合、2.52 THzで約70％の吸収が得られます。 =1μm、 f の場合の2.52THzでの各曲線の吸収率 =0.8〜1.1μmは50％を超えています。これは、製造工程で発生する可能性のあるアンテナ線の幅差がテラヘルツ吸収にほとんど影響を与えないことを示しており、スパイラル型アンテナ結合マイクロブリッジ構造の設計に役立ち、製造と実現の難しさを軽減します。冗長性を高めるために設計された構造のいくつかが許可されます。

異なる線幅（ f ）のブリッジレッグに2つの接続された線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造のTHz波吸収曲線 ）

図9に、線幅が1μmの場合のブリッジレッグに2本のリニアアンテナを接続したスパイラル型アンテナの電界と磁界のエネルギー密度図を示します。図9aに示す電界エネルギーの吸収領域は、主に敏感な領域と、ブリッジレッグと敏感な領域の間の接続領域で発生します。図9bに示すように、磁場エネルギーの吸収は、主に支持層上のアンテナの寄与に起因します。吸収の大部分は支持層で発生し、VO _x の温度上昇に変換できます。 薄膜。

電場のエネルギー密度図（ a ）および磁場（ b ）橋脚に2本の線形アンテナが接続され、線幅が1μmのスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造の場合

図1d、eに示すように、ブリッジレッグに2つの別個のリニアアンテナまたは2つの接続されたリニアアンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナの設計は、回転角が2.52THzの低吸収周波数での高吸収率の優れたソリューションです。 360 * n に設定 （ n =1.6）。 2つの別々の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナは2.52THz付近に広い吸収ピークを提供しますが、2つの線形アンテナが接続されたスパイラルタイプのアンテナはアンテナ線幅の変化に伴って比較的安定した吸収ピークを持ちます。 2本のリニアアンテナが接続されたスパイラルタイプのアンテナのもう1つの利点は、アンテナと電極リード層を1ステップのフォトリソグラフィとパターンプロセスで製造できるため、アンテナが電極リードとして機能し、高度な統合とプロセスの簡素化を実現できることです。これにより、2.52 THzでの高吸収と、構造を実現するための互換性が高く、プロセスが簡素化された方法を備えた、高度に統合されたスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造が提供されます。

アンテナ結合マイクロブリッジ構造のTHz検出器の場合、熱応答時間（τ ）は、その有効熱伝導率（ G ）に依存します _eff ）および総熱容量（ C _tot ）τ経由 = C _tot / G _eff 。 G _eff G を介して定義されます _eff = G _脚 − αV _バイアス 私 ₀ 、ここでα は電流の温度係数であり、 V _バイアス および私 ₀ はそれぞれ検出器のバイアス電圧と電流です[31]。 G _脚 =2 σ _th A / l はブリッジレッグの熱伝導率です。ここで、σ _th は脚の熱伝導率であり、 A および l は、それぞれブリッジレッグの断面積と長さです。 2本の足があるので2を掛けます。明確なマイクロブリッジ構造の場合、ブリッジレッグの熱伝導は固定されています。 G _eff [32]も修正されます。 τ C によって決定されます _tot 、これは、 C などの負荷を含むアンテナとマイクロブリッジ構造の総熱容量です。 _tot = C _ant + C _ブリッジ 。アンテナの熱容量は C で定義されます _ant = c _ant ρ _ant V _ant 、ここで c _ant はアンテナの比熱、ρです。 _ant はアンテナの質量密度、 V _ant はアンテナの音量です。 C _ブリッジ C と同様の方法で定義されます _ant 。 C _tot 主にアンテナの音量（ V ）によって制限されます _ant ）固定マイクロブリッジ構造上の明確なアンテナ材料の場合。そのため、平面アンテナではなく線形アンテナを使用してアンテナの体積を減らし、熱応答時間を短縮することを期待しています。アンテナと電極リード層の両方として機能する単一の金属層を備えた、この論文で設計されたアンテナ結合マイクロブリッジ構造の場合、総熱容量は C でさらに減少します。 _tot ≈ C _ブリッジ 。マイクロブリッジ構造の中央の敏感な領域がSi ₃ で構成されていると仮定します。 N ₄ サイズが約20μm×20μm、厚さが0.4μmのフィルムで、アンテナ層は厚さ0.05μmのAl薄膜でできており、感度領域の3分の1、Siの熱容量 ₃ N ₄ PECVD Si ₃ の比熱容量と質量密度から、フィルムとAlアンテナを計算できます。 N ₄ フィルムは0.17J /（g * K）および2500 Kg / m ³ 、Al薄膜のそれは0.91 J /（g * K）と2700 Kg / m ³ 、 それぞれ。結果は、単一のアンテナと電極リード層を備えたアンテナ結合マイクロブリッジ構造の場合、総熱容量を、アンテナと電極リードとして機能する2つの金属層を備えた従来のマイクロブリッジ構造の83.7％に削減できることを示唆しています。マイクロブリッジ構造と同じ熱伝導率で、熱応答時間を16.3％短縮できます。これにより、高速応答の高性能THzマイクロボロメータ検出器でのアプリケーションの可能性が提供されます。

結論

本論文では、センシングとイメージングにおけるTHzアプリケーション用の4種類のスパイラル型アンテナ結合マイクロボロメータの設計、シミュレーション、および最適化を実施しました。マイクロブリッジ構造のサポート層にある従来のスパイラルタイプのアンテナと比較して、アンテナは、ブリッジの脚に1つの別個の線形アンテナ、2つの別個の線形アンテナ、または2つの接続された線形アンテナで提案されます。スパイラル型アンテナの構造パラメータを最適化し、各パラメータが吸収特性に与える影響について説明します。ブリッジレッグにリニアアンテナを導入することにより、アンテナ面積が拡大し、吸収周波数が低下します。 2つの別々の線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナは2.52THz付近に広い吸収ピークを提供しますが、2つの接続された線形アンテナを備えたスパイラルタイプのアンテナはアンテナ線幅の変化に伴って比較的安定した吸収ピークを持ち、高度な統合とマイクロブリッジ構造のプロセス簡素化。この論文では、マイクロブリッジ構造に基づくTHz検出器でのスパイラル型アンテナのアプリケーションを紹介し、THz吸収増強、吸収周波数変調、応答時間の改善、および製造プロセスの簡素化におけるそれらの利点について説明します。

メソッド

CST Microwave Studio 2016を使用して、有限要素数値シミュレーションを実行しました。図1fに示すように、アンテナ結合マイクロブリッジ構造を中央に配置して、ユニットサイズが25μm×25μmの単一立方体ユニットセルをシミュレーションしました。 。波数ベクトル k z を介して伝播 x の完全な電界を持つ方向 - z y の平面と完全な磁場 - z 飛行機。真空中の立方体ユニットセルの上面と下面に、それぞれ図1fでポート「1」とポート「2」として示されている入力ポートと出力ポートを設定します。シミュレーションにより、周波数依存の複合体 S が生成されました 反射率 R を取得したパラメータ =| S ₁₁ | ² ポート「1」および透過率 T =| S ₂₁ | ² \（\ widehat {x} \）および\（\ widehat {y} \）方向に沿った周期境界条件（PBC）のポート「2」で。アンテナ結合マイクロブリッジ構造の吸収は、 A を介して計算されました。 =1 − | S ₂₁ | ² − | S ₁₁ | ² 。図1a〜eで提案されているスパイラルタイプのアンテナ結合マイクロブリッジ構造の場合、AlおよびNiCr薄膜は、デフォルトの導電率σの損失のある金属としてモデル化されました。 _Al =3.56×10 ⁷ S / mおよびσ _NiCr =1×10 ⁷ S / m。 Si ₃ N ₄ 薄膜は、分散誘電率εを備えた光学窒化ケイ素膜としてモデル化されました。 _Si3N4 CSTの2次モデル（適合）の透磁率1。共振空洞はεで処理されました。 _掃除機 =1およびσ _掃除機 =0 S / m。

略語

FET：

電界効果トランジスタ

FPA：

フォーカルプレーンアレイ

IR：

赤外線

MOSFET：

金属酸化物半導体FET

NiCr：

ニッケル-クロム

PBC：

周期境界条件

QCL：

量子カスケードレーザー

QW：

量子井戸

Si ₃ N ₄ ：

窒化ケイ素

SIS：

超伝導体-絶縁体-超伝導体トンネル接合

THz：

テラヘルツ

VO _x ：

酸化バナジウム