マイクロブリッジ構造に統合したスプリットリング共振器によるTHz波吸収の広帯域化

概要

本論文では、金属製スプリットリング共振器に基づく周期構造を、THzマイクロボロメータアレイのマイクロブリッジ構造に統合し、広い周波数範囲で高いTHz波吸収を実現する手法を提案する。35μm×35μmという小さなユニットサイズで、スプリットリング構造が多層構造アレイのTHz波吸収特性に及ぼす影響を検討し、共鳴吸収周波数を制御した。スプリットリングと金属ディスクの複合構造を統合することで、吸収帯域幅を効果的に拡大した。異なる構造の吸収ピークを結合させることにより、広帯域THz吸収が形成される。金属ディスクと組み合わせたデュアルリング周期構造は、4〜7THzの範囲で広帯域THz波吸収を提供し、帯域内の最高吸収率は90%、最低吸収率も40%以上を達成した。設計された構造はプロセス互換性があり、広スペクトルで高吸収を持つ小画素THzマイクロボロメータへの実装が容易である。本研究は、室温での広帯域THzセンシングとリアルタイムイメージングの実現に向けた指針を提供する。

はじめに

波長30μm〜3mmのテラヘルツ（THz）波は、電磁スペクトルの中で非常に重要でありながら、ほとんど未開拓の領域である。THz技術の応用には、セキュリティ検査[1,2]、医療[3,4]、通信[5,6]、天文学[7]などがある。THz波の生成・検出デバイスの発展により、近年THz技術は著しい進歩を遂げている[8,9]。THz検出器は主に光電効果と熱効果に基づく。超伝導ボロメータなどの光子検出器は高感度・高速検出が可能だが[10,11]、極低温への冷却が必要である。THz波を吸収して熱感受性膜の温度変化を生じさせる熱型ボロメータ検出器は、室温動作が可能で、大規模アレイ集積、構成の簡素さ、低コストという大きな利点がある[12-14]。THzマイクロボロメータアレイは、マイクロブリッジ構造を持つ画素で構成され、成熟した赤外線（IR）マイクロボロメータ技術から発展し、同じ熱変換メカニズムをTHz光源とともに備えている。従来のマイクロブリッジ構造の重大な欠点は、THz波吸収が乏しく、感度が低いことである。インピーダンス整合用金属薄膜やターゲット周波数に調整したアンテナを統合するなど、マイクロブリッジ構造のTHz吸収向上のための改良が行われてきた[15-18]。しかし、金属薄膜の吸収率は限定的（≤50%）であり、アンテナ結合型マイクロブリッジ構造は一般的にTHz波の狭い吸収ピークしか持たない。広いスペクトル範囲で高いTHz吸収を得るため、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手法[19]や、位相結合法と強結合応答による吸収帯域幅の拡大やマルチバンド吸収の実現[20-23]が提案されている。しかし、これらの構造の多くは、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持つ小さな画素に統合する際、熱的・機械的特性を犠牲にせずには実現できない。

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広く研究されている構造である[24,25]。本論文では、THzマイクロボロメータアレイの吸収を向上させる目的で、35μm×35μmという小さなサイズのマイクロブリッジ構造に、4つの開口を持つ金属製スプリットリングを統合した。吸収帯域幅を拡大するため、スプリットリング共振器と別のスプリットリング、および金属ディスクを組み合わせた周期構造を検討した。異なる構造の吸収ピークを結合させることで、広帯域THz吸収を達成した。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、4〜7THzの範囲で広帯域THz波吸収を提供し、最高吸収率90%、最低吸収率40%以上を達成した。位相結合法と強結合応答も、帯域幅の改善やマルチバンド吸収の実現に寄与する。

結果と考察

THzマイクロボロメータアレイは、焦面上で二次元的に繰り返し配置された多数のマイクロブリッジ構造画素で構成され、各画素が独立してTHz放射を測定する。マイクロブリッジ構造は図1aに示すように、感度多層膜とそれを支持する2本の脚で構成される。多層膜は下から、250nmの支持層（窒化ケイ素、Si₃N₄）、60nmの熱感受性膜（酸化バナジウム、VO_x）、150nmのパッシベーション層（Si₃N₄）、THz波吸収層（Al）で構成される。脚は機械的支持、電気的・熱的チャネルとして機能する。VO_x膜は脚を通じて、シリコン（Si）基板に集積された読み出し回路（ROIC）の電極と接続される。吸収層で吸収されたTHz波により多層膜の温度が変化し、VO_x膜の抵抗変化がROICで検出される。Si基板上の400nm厚の反射層（Al）と感度多層膜の間には、熱絶縁用の2μm高のキャビティが形成される。本論文では、図1bに示す4開口スプリットリングを、マイクロブリッジ構造のTHz吸収層として統合した。THz吸収帯域幅を増やすため、図1cのデュアルリング構造、図1dのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ、図1eのデュアルリング構造とAlディスクの組み合わせも検討した。

スプリットリング共振器と結合し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開口スプリットリング。c デュアルリング構造。d スプリットリングとAlディスクの組み合わせ。e デュアルリング構造とAlディスクの組み合わせ。f 鉛直入射光で照射される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、異なる開口幅（s）を持つ周期的スプリットリング構造のTHz波吸収を示す。スプリットリングの外半径は15μm、内半径10μm、厚さ10nmである。開口幅が1μm、2μm、4μm、6μmのとき、共鳴吸収周波数はそれぞれ5THz、5.7THz、6.2THz、7.1THzとなる。各構造のピーク吸収率は約100%である。開口幅の増加に伴い、共鳴吸収周波数は上昇する。スプリットリングの開口は等価容量（C）、金属リング部分は等価インダクタンス（L）と見なせ、共鳴周波数（ω）はω=1/√(LC)で表される。開口幅の増加は等価容量の減少を招き、共鳴周波数を上昇させる。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共鳴吸収が可能になる。図2bは、異なるリング幅（d）を持つ周期的スプリットリング構造のTHz波吸収を示す。外半径15μm、開口幅2μm、厚さ10nmのスプリットリングにおいて、リング幅の減少に伴い、共鳴吸収周波数とピーク吸収率が低下する。リング幅5μmで5.7THz、3μmで5.3THzにおいてピーク吸収率はそれぞれ100%、97%に達する。リング幅1μmでは共鳴吸収周波数5THz、ピーク吸収率60%に低下する。共鳴吸収周波数の低下は、リング幅減少に伴う等価インダクタンスの増大に起因する。

a 異なる開口幅（s）を持つ周期的スプリットリング構造のTHz波吸収。外半径15μm、内半径10μm、厚さ10nm。b 異なるリング幅（d）を持つ周期的スプリットリング構造のTHz波吸収。外半径15μm、開口幅2μm、厚さ10nm

周期的スプリットリング構造は共鳴周波数で高いTHz波吸収を提供できるが、吸収ピークは狭い。吸収帯域幅を拡大するため、スプリットリングとAlディスクのさまざまな組み合わせをマイクロブリッジ構造アレイに統合した。図3aは、内側スプリットリングの外半径（r_i）が異なる周期的デュアルリング構造のTHz波吸収を示す。開口幅2μm、厚さ10nm、外側スプリットリングの外半径17μm、両リング幅2μm。デュアルリング構造は2つの吸収ピークを持つ。内側スプリットリングの外半径が11〜13μmに増加すると、一方の共鳴吸収周波数は3.3THzで不変、もう一方は5.1〜4.3THzに低下する。低周波側と高周波側の吸収ピークはそれぞれ外側と内側のスプリットリングに起因する。2つのスプリットリングが接近すると、2つの吸収ピークが結合し、より広い吸収帯域を形成する。しかし、この構造は3.2〜5.2THzの吸収帯域で25〜55%と比較的低い吸収率を示す。

a 内側スプリットリングの外半径（r_i）が異なる周期的デュアルリング構造のTHz波吸収。開口幅2μm、厚さ10nm。外側スプリットリング外半径17μm、両リング幅2μm。b スプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造のTHz波吸収（ディスク半径r_d違い）。厚さ10nm。スプリットリング外半径17μm、リング幅2μm、開口幅2μm。c 2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造のTHz波吸収（ディスク半径r_d違い）。厚さ10nm。2つのスプリットリングのリング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと14μm

図3bは、スプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造のTHz波吸収（ディスク半径r_d違い）を示す。厚さ10nm。スプリットリング外半径17μm、リング幅2μm、開口幅2μm。2つの吸収ピークが現れる。4.3THz付近のピークはディスク半径に依存しない。ディスク半径を6〜12μmに増加させると、高周波側の吸収ピークが低周波方向にシフトし、ピーク吸収率の変化は小さい。4.3THz付近のピークはスプリットリング由来、シフトする高周波側ピークはAlディスク由来である。ディスク半径12μmで約2THz幅の広帯域吸収が得られる。図3cは、2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造のTHz波吸収（ディスク半径r_d違い）を示す。厚さ10nm。2つのスプリットリングのリング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと14μm。外側スプリットリングの共鳴吸収周波数は4.2THz付近、内側は5.5〜6THz。Alディスク半径7μmで共鳴ピーク8.2THz、9μmで6.5THzにシフトし内側スプリットリングのピークと結合する。2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造は、4〜7THzで広帯域吸収を提供し、帯域内最高吸収率90%、最低吸収率40%以上を達成する。

図4は、Alディスク半径9μmのデュアルリング構造との組み合わせ周期構造における、異なる共鳴吸収周波数での電場エネルギー密度分布、磁場エネルギー密度分布、電力損失分布を示す。厚さ10nm。2つのスプリットリングのリング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと14μm。図3cより、この構造は4.28THz、5.74THz、6.5THz、8.5THzの4つの吸収ピークを持つ。これらの周波数での各分布は、構造内の主要なTHz波吸収領域を示す。外側スプリットリング、内側スプリットリング、ディスクがそれぞれ4.28THz、5.74THz、6.5THzでの共鳴吸収に主に寄与することがわかり、前節の吸収ピーク分析を支持する。8.5THzの低吸収ピークは周期構造の結合に起因する。図4dは、5.74THzと6.5THzでの電場密度分布断面図を示す。金属層と誘電体層で強い電場が観測される。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、大部分の吸収は支持層で発生し、VO_x薄膜の温度上昇に変換される。

2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造における、異なる共鳴吸収周波数での電場密度分布（a）、磁場密度分布（b）、電力損失（c）、電場密度分布断面図（d）。厚さ10nm。2つのスプリットリングのリング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと14μm。Alディスク半径9μm

図5は、2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造のTHz波吸収（厚さt違い）を示す。図5aの構造では、2つのスプリットリングのリング幅1μm、開口幅2μm、外半径17μmと15μm、Alディスク半径13μm、隣接構造間距離1μm。異なる構造の吸収ピークが結合し広い吸収帯域を形成する。吸収層厚の増加に伴い吸収帯域は狭くなるが、30nm以上では吸収特性がほぼ変化せず、比較的安定した吸収を示す。図5bでは、リング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと13μm、Alディスク半径9μm、隣接距離2μm。厚さ10nmで4〜7THzの広帯域吸収（吸収率40〜90%）を提供する。厚さ増加に伴い吸収帯域は徐々に2つの独立した吸収ピークに分離する。ピーク吸収率は非常に高いが、広いTHz波吸収帯域の形成は困難になる。

2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造のTHz波吸収（厚さt違い）。a リング幅1μm、開口幅2μm、外半径17μmと15μm、Alディスク半径13μm。b リング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと13μm、Alディスク半径9μm

斜め入射照明下での吸収特性を調べるため、2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造について、入射角0°（垂直入射）、10°、20°、40°、60°、80°でのTHz波吸収をシミュレーションし、図6に示す。リング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと13μm、Alディスク半径9μm、厚さ10nm、隣接距離2μm。入射角増加に伴い、2つのピーク吸収周波数はわずかに低周波方向へシフトする。入射角30°未満ではピーク吸収率の変化は小さいが、40°を超えると吸収強度が大幅に低下する。

2つのスプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造のTHz波吸収（入射角違い）。リング幅2μm、開口幅2μm、外半径17μmと13μm、Alディスク半径9μm、厚さ10nm

結論

ユニットサイズ35μm×35μmのマイクロブリッジ構造アレイにおける、Alスプリットリング共振器ベースの周期構造を検討し、THzマイクロボロメータのTHz波吸収向上と吸収帯域幅拡大を図った。スプリットリング共振器の共鳴吸収周波数は、開口幅とリング幅によって決定される。スプリットリングとAlディスクの組み合わせ周期構造をマイクロブリッジ構造アレイに統合し、異なる構造の吸収ピークを結合させることで、吸収帯域幅を効果的に拡大した。デュアルリング構造とディスクの組み合わせ周期構造により、4〜7THzの周波数範囲で吸収率40〜90%の高いTHz波吸収を達成した。この構造は、小画素サイズ、高吸収、広スペクトル応答というTHzマイクロボロメータの要件を満たす。

方法

CST Microwave Studio 2016を用いて有限要素数値シミュレーションを行った。図1fに示すように、35μm×35μmサイズのTHzマイクロボロメータアレイの単一立方ユニットセルをシミュレーションした。波ベクトルkはz方向に伝播し、x–z面に完全電界、y–z面に完全磁界を設定。立方ユニットセルの上面と下面に入力ポート「1」と出力ポート「2」を配置。周期境界条件（PBC）をxおよびy方向に適用し、周波数依存の複素Sパラメータを取得。ポート「1」での反射率R=|S₁₁|²、ポート「2」での透過率T=|S₂₁|²から、吸収率A=1−|S₁₁|²−|S₂₁|²を算出。図1b〜eの構造について、Al吸収層と反射層をDrudeモデル（プラズマ周波数ω_p=92,700cm⁻¹、散乱周波数ω_τ=408cm⁻¹ [26]）でモデル化。支持層とパッシベーション層（総厚400nm）を、CST内の2次モデルフィット分散誘電率、透磁率1の光学Si₃N₄膜としてモデル化。キャビティは誘電率1、透磁率0S/mでモデル化した。

データおよび資料の入手可能性

本記事の結論を支持するすべてのデータは、記事内に含まれています。

略語

THz:

テラヘルツ

IR:

赤外線

Al:

アルミニウム

Si₃N₄:

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