スプリットリング共振器と統合されたマイクロボロメータアレイの広帯域THz吸収

はじめに

30μmから3mmの波長のテラヘルツ（THz）波は非常に重要ですが、電磁スペクトルのほとんど探索されない部分です。 THz技術のアプリケーションには、セキュリティスクリーニング[1、2]、医学[3、4]、通信[5、6]、天文学[7]が含まれます。テラヘルツ波の発生と検出のためのソースとデバイスの開発により、テラヘルツ技術は近年大きな進歩を遂げています[8、9]。 THz検出器は、主に光電効果と熱効果に基づいています。超電導ボロメータなどの光子検出器は、高感度および高速検出に使用できます[10、11]。ただし、極低温まで冷却する必要があります。テラヘルツ波を吸収して感熱フィルムの温度変化を引き起こす熱ボロメータ検出器は、室温で操作でき、大規模なアレイ統合、シンプルな構成、低コストで大きな利点があります[12、13、14]。 THzマイクロボロメータアレイは、マイクロブリッジ構造のピクセルで構成されています。マイクロブリッジ構造は、THzソースを備えた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から開発されたものです。従来のマイクロブリッジ構造の重大な欠点は、THz波の吸収が不十分であり、感度が低くなることです。インピーダンス整合金属薄膜とターゲット周波数に調整されたアンテナの統合など、THz吸収を強化するためのマイクロブリッジ構造にいくつかの改善が加えられました[15、16、17、18]。ただし、金属薄膜は吸収が制限され（≤50％）、アンテナ結合マイクロブリッジ構造は一般にTHz波の吸収ピークが狭くなります。広いスペクトル範囲で高いTHz吸収を実現するために、従来の3層吸収体の上面に薄い誘電体層と薄い金属層を追加することができます[19]。位相結合法と強力な結合応答により、吸収帯域幅を改善したり、マルチバンド吸収を実現したりすることもできます[20、21、22、23]。ただし、ほとんどの構造は、熱的および機械的特性を犠牲にすることなく、THzマイクロボロメータアレイのマイクロブリッジ構造を備えた小さなピクセルに統合することはできません。

スプリットリング共振器は、周期構造に閉じ込められた表面プラズモンを励起することで電磁波を操作するために広く研究されている構造です[24、25]。この論文では、THzマイクロボロメータアレイの吸収を高める目的で、4つの開口部を備えた金属製のスプリットリングが35μm×35μmの小さなサイズのマイクロブリッジ構造に統合されています。吸収帯域幅を増やすために、別のスプリットリングと金属ディスクを組み合わせたスプリットリング共振器の周期構造が研究されています。広帯域THz吸収は、異なる構造の吸収ピークを結合することによって実現されます。アルミニウム（Al）ディスクと組み合わせたデュアルリング構造は、4〜7 THzの範囲の広帯域THz波吸収を提供し、最高吸収は90％、最低吸収は40％を超えます。位相結合法と強力な結合応答により、帯域幅またはマルチバンド吸収の実現も向上します。

結果と考察

THzマイクロボロメータアレイは、焦点面上に2次元で繰り返される配置の多数のマイクロブリッジ構造ピクセルで構成されています。各ピクセルは、THz放射を個別に測定します。マイクロブリッジ構造を図1aに示します。これは、高感度の多層フィルムと、フィルムを支える2本の脚で構成されています。多層膜には、250 nmの支持層（窒化ケイ素、Si ₃ ）が含まれています。 N ₄ ）、60 nmの感熱フィルム（酸化バナジウム、VO _x ）、150 nmのパッシベーション層（Si ₃ N ₄ ）および下から上にテラヘルツ波吸収層（Al）。脚は、機械的支持、電気的および熱的チャネルに使用されます。 VO _x フィルムは、シリコン（Si）基板に統合された読み出し回路（ROIC）の電極と脚を介して接続されます。吸収層に吸収されたテラヘルツ波は、多層膜の温度変化とVO _x の抵抗変化を引き起こします。 ROICによって検出されたフィルム。 Si基板上の厚さ400nmの反射層（Al）と高感度多層膜の間に、高さ2μmの断熱用空洞が形成されています。この論文では、図1bに示すように、4つの開口部を備えたスプリットリングが、THz吸収層としてマイクロブリッジ構造に統合されています。テラヘルツ吸収帯域幅を拡大するために、図1cに示すようなデュアルリング構造、図1dに示すようにAlディスクと組み合わせたスプリットリング、および図1eに示すようにAlディスクと組み合わせたデュアルリング構造も研究されています。

スプリットリング共振器と組み合わせた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断面図。 b 4つの開口部を備えたスプリットリング。 c デュアルリング構造。 d Alディスクと組み合わせたスプリットリング。 e Alディスクと組み合わせたデュアルリング構造。 f 垂直入射光で照らされたTHzマイクロボロメータアレイの単一ユニットセル

図2aは、開口部の幅が異なる周期的なスプリットリング構造のTHz波吸収を示しています（ s ）。スプリットリングの外半径は15μm、内半径は10μm、厚さは10nmです。スプリットリングの開口幅が1μm、2μm、4μm、6μmの場合、共振吸収周波数はそれぞれ5 THz、5.7 THz、6.2 THz、7.1THzです。各構造のピーク吸収は約100％です。開口幅が大きくなると、共振吸収周波数が高くなります。スプリットリングの開口部は、等価静電容量（ C ）と見なすことができます。 ）一方、スプリットリングの金属リング部分は等価インダクタンス（ L ）と見なすことができます。 ）および共振周波数（\（\ omega \））は、\（\ omega =\ frac {1} {\ sqrt {LC}} \）として表すことができます。開口幅を大きくすると、等価容量が小さくなり、共振周波数が高くなります。したがって、スプリットリングの開口幅を小さくすることで、より低い周波数での高い共振吸収を実現できます。図2bは、リング幅が異なる周期的なスプリットリング構造のTHz波吸収を示しています（ d ）。スプリットリングの外径は15μm、開口部の幅は2μm、厚さは10nmです。リング幅が小さくなると、共振吸収周波数とピーク吸収が減少することがわかります。ピーク吸収は、5.7 THzで100％、5.3 THzで97％に達し、リング幅はそれぞれ5μmと3μmです。リング幅が1μmの場合、共振吸収周波数は5 THzで、ピーク吸収は60％に減少します。共振吸収周波数の低下は、リング幅が減少するにつれて等価インダクタンスが増加することに起因します。

a 異なる開口幅（ s ）を持つ周期的なスプリットリング構造のTHz波吸収 ）。スプリットリングの外半径は15μm、内半径は10μm、厚さは10nmです。 b リング幅が異なる周期的なスプリットリング構造のテラヘルツ波吸収（ d ）。スプリットリングの外径は15μm、開口部の幅は2μm、厚さは10nmです

周期的なスプリットリング構造は、共振周波数で高いTHz波吸収を提供できます。ただし、吸収ピークは狭い。吸収帯域幅を増やすために、スプリットリングとAlディスクのいくつかの異なる組み合わせの周期構造がマイクロブリッジ構造アレイに統合されています。図3aは、内側のスプリットリングの外側の半径が異なる周期的なデュアルリング構造のTHz波吸収を示しています（ r _i ）。デュアルリング構造の開口幅は2μm、厚さは10nmです。外側のスプリットリングの外半径は17μmで、両方のスプリットリングの幅は2μmです。デュアルリング構造には2つの吸収ピークがあります。内側のスプリットリングの外半径が11から13μmに増加すると、一方の共振吸収周波数は3.3 THzで変化せず、もう一方の共振吸収周波数は5.1から4.3THzに減少します。低周波数と高周波数での吸収ピークは、それぞれ、外側のスプリットリングと内側のスプリットリングによってもたらされます。 2つのスプリットリングが近づくと、2つの吸収ピークが互いに結合し、より広い吸収帯を形成します。ただし、この構造は、3.2〜5.2 THzの吸収帯で25〜55％の比較的低い吸収を示します。

a 内側のスプリットリングの外側の半径が異なる周期的なデュアルリング構造のTHz波吸収（ r _i ）。デュアルリング構造の開口幅は2μm、厚さは10nmです。外側のスプリットリングの外半径は17μmで、両方のスプリットリングの幅は2μmです。 b ディスクの半径が異なるスプリットリングとAlディスクの組み合わせの周期構造のTHz波吸収（ r _d ）。周期構造の厚さは10nmです。スプリットリングの外径は17μm、リング幅は2μm、開口部幅は2μmです。 c 2つのスプリットリングとディスクの半径が異なるAlディスクの組み合わせの周期構造のTHz波吸収（ r _d ）。周期構造の厚さは10nmです。 2つのスプリットリングのリング幅は2μm、開口部幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと14μmです

ディスクの半径が異なるスプリットリングとAlディスクの組み合わせの周期構造のTHz波吸収（ r _d ）を図3bに示します。周期構造の厚さは10nmです。スプリットリングの外径は17μm、リング幅は2μm、開口部幅は2μmです。周期構造には2つの吸収ピークがあります。吸収ピークの1つは4.3THzの近くにあり、Alディスクの半径によって変化しません。ディスクの半径が6μmから12μmに増加すると、高周波のもう一方の吸収ピークは低周波方向に移動し、ピーク吸収の変化は重要ではありません。 4.3 THz付近の吸収ピークはスプリットリングによるものであり、ディスク構造の変化に伴って移動する高周波での吸収ピークはAlディスクによるものです。ディスクの半径が12μmの場合、約2THzの幅で広帯域吸収が得られます。図3cは、2つのスプリットリングとディスクの半径が異なるAlディスクの組み合わせの周期構造のTHz波吸収を示しています（ r _d ）。周期構造の厚さは10nmです。 2つのスプリットリングのリング幅は2μm、開口部幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと14μmです。共振吸収周波数は、外側のスプリットリングで約4.2 THz、内側のスプリットリングで5.5〜6THzです。 Alディスクの半径が7μmの場合、共鳴吸収ピークは8.2THzにあります。ディスクの半径が9μmの場合、その吸収ピークは6.5 THzに移動し、内側のスプリットリングの吸収ピークと結合します。 2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせの周期構造は、4〜7THzの広帯域吸収を提供します。バンドの最高吸収は90％に達し、最低吸収は40％を超えます。

図4は、さまざまな共振吸収周波数でのAlディスクと組み合わせた周期的デュアルリング構造における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を示しています。周期構造の厚さは10nmです。 2つのスプリットリングのリング幅は2μm、開口部幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと14μmです。 Alディスクの半径は9μmです。図3cに示すように、この周期構造には、4.28 THz、5.74 THz、6.5 THz、8.5THzの周波数に4つの吸収ピークがあります。 4つの共振吸収周波数での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は、構造内のTHz波の主な吸収領域を示しています。外側のスプリットリング、内側のスプリットリング、およびディスクが、それぞれ4.28 THz、5.74 THz、および6.5THzでの共振吸収に主に寄与していることがわかります。これは、吸収ピークの以前の分析をサポートします。 8.5 THzでの低い吸収ピークは、周期構造の結合に起因します。図4dは、5.74THzおよび6.5THzの共振吸収周波数でAlディスクと組み合わせた周期的デュアルリング構造の電界密度分布の断面図を示しています。金属層と誘電体層に強い電界が見られます。吸収は主に、金属層でのオーム損失と誘電体層での誘電損失に起因します。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。

電界密度分布の上面図（ a ）、磁場密度分布（ b ）、電力損失（ c ）および電界密度分布の断面図（ d ）異なる共鳴吸収周波数でAlディスクと組み合わされた2つのスプリットリングの周期構造。周期構造の厚さは10nmです。 2つのスプリットリングのリング幅は2μm、開口部幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと14μmです。 Alディスクの半径は9μmです

2つのスプリットリングと異なる厚さのAlディスクの組み合わせの周期構造のTHz波吸収（ t ）を図5に示します。図5aの周期構造では、2つの分割リングのリング幅は1μm、開口幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと15μmです。 Alディスクの半径は13μmです。隣接する構造物間の距離は1μmです。異なる構造の吸収ピークが結合し、広い吸収帯を形成します。吸収層の厚さが増すにつれて、吸収帯域幅は狭くなります。ただし、厚さが30 nmを超える場合、周期構造の吸収特性は大きく変化せず、比較的安定した吸収を示します。図5bの周期構造では、2つの分割リングのリング幅は2 µm、開口幅は2 µm、外半径はそれぞれ17 µmと13 µmです。 Alディスクの半径は9μmです。隣接する構造物間の距離は2μmです。吸収層の厚さが10nmの場合、この周期的な構造により、4〜7 THzの広帯域吸収が得られ、THz波の吸収は帯域内で40〜90％になります。厚さが増すにつれて、吸収帯は徐々に2つの独立した吸収ピークになります。ピーク吸収は非常に高いですが、テラヘルツ波の広い吸収帯を形成することは困難です。

2つのスプリットリングと異なる厚さのAlディスクの組み合わせの周期構造のTHz波吸収（ t ）。 a 2つのスプリットリングのリング幅は1μm、開口幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと15μmです。 Alディスクの半径は13μmです。 b 2つのスプリットリングのリング幅は2μm、開口幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと13μmです。 Alディスクの半径は9μmです

斜め入射照射下での吸収特性を調べるために、2つのスプリットリングと0°（垂直入射）、10°、20°、40の異なる入射角を持つAlディスクの組み合わせの周期構造のTHz波吸収°、60°、80°をシミュレートして図6に示します。周期構造では、2つの分割リングのリング幅は2μm、開口幅は2μm、外角は17μmと13μmです。 、 それぞれ。 Alディスクの半径は9μm、厚さは10nmです。隣接する構造物間の距離は2μmです。入射角が大きくなると、2つのピーク吸収周波数はわずかに低い周波数方向に移動します。入射角が30°未満の場合、ピーク吸収率の変化は大きくありません。ただし、入射角が40°を超えると吸収強度が大幅に低下します。

入射角の異なる2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせの周期構造のテラヘルツ波吸収。 2つのスプリットリングのリング幅は2μm、開口部幅は2μm、外半径はそれぞれ17μmと13μmです。 Alディスクの半径は9μm、厚さは10nmです

結論

テラヘルツ波の吸収を改善し、テラヘルツマイクロボロメータの吸収帯域幅を拡大することを目的として、ユニットサイズが35μm×35μmのマイクロブリッジ構造アレイのAlスプリットリング共振器に基づく周期構造を研究します。スプリットリング共振器の共振吸収周波数は、開口部の幅とリングの幅によって決まります。スプリットリングとAlディスクを組み合わせた周期構造は、マイクロブリッジ構造アレイに統合されています。異なる構造の吸収ピークを結合することにより、吸収帯域幅が効果的に増加します。ディスクと組み合わせた周期的なデュアルリング構造により、4〜7 THzの周波数範囲で40〜90％の吸収を伴う高いTHz波吸収が実現されます。この構造は、小さなピクセルサイズ、高い吸収、広いスペクトル応答のためのTHzマイクロボロメータの要件を満たしています。

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、35μm×35μmのサイズのTHzマイクロ波計アレイ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–z の完全な電界を持つ方向 y–z の平面と完全な磁場 飛行機。立方体ユニットセルの上面と下面に入力ポートと出力ポートを設定します。これらはそれぞれポート「1」とポート「2」で示されます。シミュレーションにより、周波数に依存する複雑な 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 x に沿った周期境界条件（PBC）のあるポート「2」で および y 方向。周期構造の吸収は A を介して計算されました =1 − | S ₁₁ | ² − | S ₂₁ | ² 。図1b–eで提案されている構造の場合、Al吸収層と反射層は、プラズマ周波数​​\（{\ omega} _ {p} =\）92,700 cm ^{-1 <のドルーデモデルを使用してモデル化されました。 / sup> 散乱周波数は\（{\ omega} _ {\ tau} =\）408 cm -1 [26]。総厚400nmのサポートおよびパッシベーション層は、光学Si ₃ としてモデル化されました。 N ₄ CSTの2次モデル（適合）の分散誘電率と透磁率1のフィルム。キャビティは、誘電率1と透磁率0 S / mでモデル化されました。}

データと資料の可用性

この記事の結論を裏付けるすべてのデータが記事に含まれています。

略語

THz：

テラヘルツ

IR：

赤外線

Al：

アルミニウム

Si ₃ N ₄ ：

窒化ケイ素

VO _x ：

酸化バナジウム

ROIC：

読み出し集積回路

Si：

シリコン

PBC：

周期境界条件