牛青辰 茍君 王軍 蔣亞東
(電子科技大學(xué),電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610054)
提出一種集成在微橋結(jié)構(gòu)中的二維亞波長(zhǎng)周期鈦(Ti)金屬圓盤陣列結(jié)構(gòu),以增強(qiáng)太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)的吸收率.基于嚴(yán)格耦合波分析方法,建立吸收結(jié)構(gòu)模型,研究了不同結(jié)構(gòu)的Ti圓盤陣列及其在微橋陣列結(jié)構(gòu)中的太赫茲波吸收特性.周期Ti圓盤陣列結(jié)構(gòu)降低了金屬的表面等離子體頻率,在太赫茲波段激發(fā)偽表面等離子體激元并實(shí)現(xiàn)共振增強(qiáng)吸收.共振吸收頻率由周期、直徑等Ti圓盤陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,圓盤厚度則對(duì)太赫茲波吸收率有重要影響,微橋結(jié)構(gòu)中的諧振腔結(jié)構(gòu)可降低共振頻率并增強(qiáng)耦合效率.設(shè)計(jì)的微橋探測(cè)結(jié)構(gòu)以較小的Ti圓盤陣列周期(37 μm)實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的太赫茲波約束,在3.5 THz (波長(zhǎng)85.7 μm)實(shí)現(xiàn)接近90%的太赫茲波吸收率,滿足太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)小尺寸、高吸收及工藝兼容的要求.
太赫茲(Terahertz,THz)波是指頻率在0.1-10.0 THz (波長(zhǎng)30 μm-3 mm)范圍內(nèi)的電磁波,位于毫米波與紅外波之間,是國際上重要的前沿交叉領(lǐng)域.太赫茲波具有瞬態(tài)性、寬帶性、低能性、穿透性、光譜特征吸收等很多獨(dú)特的性質(zhì),因此,太赫茲技術(shù)在安全檢測(cè)[1,2]、生物醫(yī)學(xué)[3,4]、材料化學(xué)[5]、能源環(huán)境等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值.在太赫茲技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用中,太赫茲信號(hào)的探測(cè)具有舉足輕重的意義.目前,太赫茲探測(cè)方法主要基于能夠直接測(cè)量太赫茲信號(hào)的兩種效應(yīng):光子效應(yīng)以及光熱效應(yīng).太赫茲光子探測(cè)器對(duì)太赫茲波的探測(cè)通過吸收太赫茲波能量后產(chǎn)生的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn),包括肖特基二極管[6]、場(chǎng)效應(yīng)管(FET)[7]、超導(dǎo)-絕緣體-超導(dǎo)混頻器(SIS)[8]、量子阱(QW)探測(cè)器[9]等.光子探測(cè)器探測(cè)靈敏度高,響應(yīng)時(shí)間短,但對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性,且往往需要制冷,制作成本高.光熱探測(cè)器通過吸收太赫茲波的能量,然后轉(zhuǎn)換為電阻率、溫度和自發(fā)極化強(qiáng)度變化等進(jìn)行探測(cè),主要有熱釋電探測(cè)器、測(cè)輻射熱計(jì)和高萊探測(cè)器.其中,熱釋電探測(cè)器和測(cè)輻射熱計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)室溫工作、陣列化、寬光譜的連續(xù)太赫茲波探測(cè).但熱釋電探測(cè)器的制備基于熱釋電晶體材料(如鉭酸鋰),無法與硅基CMOS電路集成,并且為保障探測(cè)性能必須采用厚度很薄的晶體材料[10].微測(cè)輻射熱計(jì)以微橋結(jié)構(gòu)為基本單元,制備二維焦平面探測(cè)器陣列,通過讀取因吸收目標(biāo)太赫茲波而引起的熱敏薄膜電阻變化,實(shí)現(xiàn)太赫茲波探測(cè).因此,在集成性、陣列化及成本方面,微測(cè)輻射熱計(jì)在太赫茲波探測(cè)成像領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì).
由于太赫茲波處于與紅外光相鄰近的波段,而微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外探測(cè)器技術(shù)已非常成熟.紅外微測(cè)輻射熱計(jì)在太赫茲輻射源的照射下可以用于太赫茲波段的探測(cè)與成像[11-13],但傳統(tǒng)的紅外微測(cè)輻射熱計(jì)微橋結(jié)構(gòu)無法對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的太赫茲波進(jìn)行諧振吸收,導(dǎo)致器件對(duì)目標(biāo)輻射的吸收極低(< 4%),難以提供較高的響應(yīng)與靈敏度[14].因此,需要增加太赫茲波吸收層.金屬薄膜由于電阻損耗可以吸收太赫茲波,且具有低熱容、高熱導(dǎo)及與微橋結(jié)構(gòu)的制備工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),成為太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)中吸收材料的首選[15-17],表面修飾可進(jìn)一步提高金屬薄膜的有效吸收面積[18],但金屬薄膜吸收太赫茲波的理論上限僅50%[19].將天線、超材料等吸波結(jié)構(gòu)集成到微橋結(jié)構(gòu)中可有效提高太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)的吸收率.法國CEA-Leti實(shí)驗(yàn)室制備出11 μm高的介質(zhì)諧振腔結(jié)構(gòu),采用多層天線耦合的方法,顯著提高了太赫茲波吸收率和探測(cè)靈敏度[20,21].但是,高諧振腔微橋結(jié)構(gòu)的制備與電學(xué)連通實(shí)現(xiàn)難度較大,多層天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,集成性與工藝兼容性有待改善.
在光學(xué)波段,表面等離子體激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是金屬與介質(zhì)交界面處自由電子氣的集體共振,能夠?qū)㈦姶挪s束在納米級(jí)別的尺寸結(jié)構(gòu)中,具有克服衍射極限和在亞波長(zhǎng)尺寸內(nèi)操縱光束的能力[22,23].而金屬的等離子體頻率一般位于可見光和紫外波段,在微波和太赫茲波段類似于理想導(dǎo)體,電磁波滲透能力很弱,所以表面電子和電磁波的相互耦合作用非常微弱,使得SPPs表面電磁模式變得非常微弱[24].2004年,Pendry等[25]提出了偽表面等離子體(spoof surface plasmon polaritons,sSPPs)理論,在金屬表面構(gòu)造周期性的光柵結(jié)構(gòu)和孔洞結(jié)構(gòu),等效降低了表面等離子體頻率,光能量通過金屬表面產(chǎn)生滲透作用,達(dá)到亞波長(zhǎng)約束的效果.
本文將二維周期金屬鈦(Ti)圓盤結(jié)構(gòu)與太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)微橋結(jié)構(gòu)陣列相結(jié)合,在太赫茲波段激發(fā)sSPPS共振增強(qiáng)吸收.基于嚴(yán)格耦合波(rigorous coupled-wave analysis,RCWA)分析方法,建立吸收結(jié)構(gòu)模型,研究圓盤直徑、周期、厚度等吸收層結(jié)構(gòu)參數(shù)以及真空腔、反射層、支撐層等對(duì)太赫茲波吸收特性的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)共振吸收頻率與太赫茲波吸收率的調(diào)制.基于小的Ti圓盤陣列周期(37 μm),微橋探測(cè)結(jié)構(gòu)在較低的太赫茲頻率(3.5 THz)下突破衍射極限,獲得接近90%的太赫茲波吸收率.
微測(cè)輻射熱計(jì)型室溫太赫茲探測(cè)器陣列由許多MEMS微橋結(jié)構(gòu)的像元在焦平面上二維重復(fù)排列構(gòu)成,每個(gè)像元對(duì)輻射進(jìn)行測(cè)量.其基本原理為:太赫茲輻射被像元中的吸收層吸收后引起溫度變化,進(jìn)而使氧化釩熱敏電阻的阻值變化; 氧化釩熱敏電阻通過MEMS絕熱微橋支撐在硅襯底上方,并通過支撐結(jié)構(gòu)與制作在硅襯底上的COMS讀出電路(ROIC)相連; 讀出電路將熱敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M(jìn)行積分放大,經(jīng)采樣后得到熱圖像中單個(gè)像元的灰度值.為了提高探測(cè)器的響應(yīng)率和靈敏度,要求探測(cè)器像元微橋具有良好的熱絕緣性,同時(shí)為保證成像的幀頻,需使像元的熱容盡量小以保證足夠小的熱時(shí)間常數(shù).本文中室溫太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列的探測(cè)單元微橋結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.每個(gè)微橋結(jié)構(gòu)由橋面(敏感區(qū)域)以及支撐橋面的兩條橋腿組成.細(xì)長(zhǎng)的橋腿同時(shí)用作機(jī)械支撐、電學(xué)和熱學(xué)通道.橋面盡量輕、薄以減小熱質(zhì)量.橋面層自下而上包括氮化硅(Si3N4)支撐層、氧化釩(VOx)熱敏薄膜、鈍化層(Si3N4)和金屬薄膜(Ti)太赫茲波吸收層.在襯底上制作反射層(Ti),與橋面之間形成諧振腔(約2 μm),但由于太赫茲波的波長(zhǎng)較長(zhǎng),該諧振腔并無明顯的增強(qiáng)吸收的效果,在沒有太赫茲波吸收層的情況下,微橋結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收率極低(2.6%-4%).為了增強(qiáng)太赫茲波的吸收,在橋面的頂部集成了一層超薄Ti薄膜作為太赫茲波吸收層.與其他金屬薄膜相比,Ti薄膜厚度容易控制且可以通過反應(yīng)離子刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)圖形化,具有很好的工藝兼容性.
本文采用簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)分析Ti金屬薄膜吸收層在微橋結(jié)構(gòu)陣列中的太赫茲波吸收特性.設(shè)計(jì)圓盤狀Ti金屬薄膜并集成到每個(gè)微橋單元結(jié)構(gòu)中,形成周期為p、直徑為d的二維亞波長(zhǎng)金屬圓盤陣列,其俯視圖和剖面圖分別如圖1(b)和圖1(c)所示.增加反射層與增加反射層及支撐層的吸收結(jié)構(gòu)分別如圖1(d)和圖1(e)所示.采用RCWA方法計(jì)算并分析不同吸收結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收特性.RCWA方法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格劃分,并對(duì)不同區(qū)域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開以及耦合疊加,將對(duì)Maxwell方程的求解轉(zhuǎn)化成對(duì)特征函數(shù)的求解,最后結(jié)合邊界條件求得問題的本征值[26,27].對(duì)于圖1中的周期性微結(jié)構(gòu),RCWA方法能夠非常精確且快速地計(jì)算出其各級(jí)反射、透射以及吸收光譜.
圖1 吸收結(jié)構(gòu)圖 (a) 太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列的探測(cè)單元微橋結(jié)構(gòu); (b)二維亞波長(zhǎng)Ti圓盤陣列俯視圖; (c) 周期Ti圓盤陣列剖面圖; (d) 增加反射層的吸收結(jié)構(gòu); (e) 增加反射層及支撐層的吸收結(jié)構(gòu); (f) 直角坐標(biāo)系下的入射平面波與吸收結(jié)構(gòu)模型Fig.1.Absorption structures:(a) Pixel structure of THz microbolometer focal plane array (FPA); (b) top view of a two-dimensional subwavelength Ti disk array; (c) sectional view of a periodic Ti disk array; (d) absorption structure with a reflection layer; (e)absorption structure with reflection layer and supporting layer; (f) absorption structure illuminated by a plane wave with a rectangular Cartesian coordinate system attached.
RCWA方法將集成在微橋結(jié)構(gòu)中的Ti金屬圓盤陣列看作是兩個(gè)相互垂直的方向上周期排列的二維光柵[28].吸收結(jié)構(gòu)被劃分為三個(gè)區(qū)域:區(qū)域Ⅰ為入射區(qū)域,其介質(zhì)為真空,介電常數(shù)為εd; 區(qū)域Ⅲ為出射區(qū)域(光柵基底區(qū)域),對(duì)于圖1(c)所示的單層Ti金屬圓盤陣列,基底介質(zhì)為真空,對(duì)于圖1(d)和圖1(e)所示的吸收結(jié)構(gòu),基底材料為金屬Ti(反射層); 區(qū)域Ⅱ?yàn)橹芷谛怨鈻艆^(qū)域,對(duì)于圖1(c)和圖1(d)所示的吸收結(jié)構(gòu),由金屬Ti與真空構(gòu)成,對(duì)于圖1(e)所示的吸收結(jié)構(gòu),由金屬Ti,Si3N4與真空諧振腔構(gòu)成.
圖1(f)為平面波入射到圖1(e)所示的吸收結(jié)構(gòu)的立體模型,在附加的直角坐標(biāo)系中,x軸和y軸平行于Ti金屬圓盤陣列的兩個(gè)周期方向,z軸垂直于光柵平面.入射平面波的傳播方向由入射角θ,方位角φ和極化角ψ決定,光柵區(qū)域的電場(chǎng)矢量利用傅里葉級(jí)數(shù)展開可表示為
其中 kxm=kx0sinθ-mK ,kyn=ky0sinθ-nK ,k為波矢,m,n為衍射的級(jí)數(shù),K為光柵矢量(K=2π/p),Smn(z) 為第mn級(jí)光柵區(qū)域諧波場(chǎng)的歸一化振幅.
光柵區(qū)域的電場(chǎng)振幅滿足亥姆霍茲方程,而且該區(qū)域上下邊界處的電場(chǎng)與磁場(chǎng)滿足連續(xù)性邊界條件,即沿邊界面的切向方向電場(chǎng)強(qiáng)度(E)與磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)連續(xù),沿邊界面法向方向電位移(D)與磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)連續(xù).求解麥克斯韋旋度方程并利用電磁場(chǎng)邊界條件,可將Smn(z)表示為特征值的函數(shù)[29]:
其中λi和wimn為特征值與特征向量,Ci的值取決于邊界條件.λi和wimn可通過matlab的eig函數(shù)求解4N×4N矩陣特征值問題得到(N為空間諧波級(jí)數(shù),本文中取N=20).利用電磁場(chǎng)表達(dá)式匹配邊界條件可以得到各級(jí)次反射衍射效率rmn與透射衍射效率tmn如下:
其中Rmn為區(qū)域Ⅰ中反射光的歸一化電場(chǎng)矢量振幅,Tmn為區(qū)域Ⅲ中透射光的歸一化電場(chǎng)矢量振幅.
其中nL為L(zhǎng) (1或3)區(qū)域的折射率,k0=ω/c為光在真空中的波數(shù).最終得到光柵區(qū)域的吸收率為
Ti在不同頻率下的介電常數(shù)為 εTi=(nTi+ikTi)2,nTi與kTi值如圖2(a)所示[30].Si3N4材料的nSi3N4與 kSi3N4值如圖2(b)所示[31].真空諧振腔厚度為2 μm (nd=1).太赫茲波垂直入射到吸收結(jié)構(gòu)上,則θ=0,φ=0,ψ=90°(TE極化).
當(dāng)固定頻率的入射電磁波與金屬表面的自由電子耦合形成振蕩,沿著交界面方向傳播,并沿著垂直于交界面方向指數(shù)衰減,這種被激發(fā)出的電磁波稱為表面等離子激元.在可見光與近紅外頻段,金屬與介質(zhì)材料分界面的表面等離子波具有如下色散關(guān)系[32]:
其中β為傳播常數(shù),εd,εm分別為入射區(qū)與金屬層的介電常數(shù),金屬的介電常數(shù)滿足Drude模型,kx為沿x方向的波數(shù).在太赫茲波段,金屬是良導(dǎo)體,金屬區(qū)域的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介質(zhì)區(qū)域的介電常數(shù),難以激發(fā)出表面等離子激元.但是周期結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)金屬陣列可以顯著降低等離子體頻率,與入射太赫茲波匹配[33],產(chǎn)生一種在表面束縛且被增強(qiáng)的電磁波,稱為偽表面等離子激元.其匹配條件滿足
其中m,n為整數(shù),Gx=Gy=2π/p ,p為x與y方向的金屬結(jié)構(gòu)周期.當(dāng)垂直入射時(shí),θ=0°,則(7)式可簡(jiǎn)化并得到激發(fā)出的偽表面等離子體激元的諧振頻率為
可見,入射到周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波滿足匹配條件即可激發(fā)偽表面等離子體激元,而諧振頻率隨著周期結(jié)構(gòu)的周期增大而降低.
首先基于RCWA方法計(jì)算了如圖1(c)所示的單層周期Ti圓盤陣列的太赫茲波吸收特性.金屬圓盤厚度(t)為10 nm,設(shè)置直徑(d)為28 μm,周期(p)為37 μm,該結(jié)構(gòu)在1.5-8 THz的太赫茲波反射率(R)、透射率(T)與吸收率(A=1 - R -T)如圖3(a)所示.圖3(a)中插圖顯示了厚度為10 nm的連續(xù)Ti薄膜在該頻段的太赫茲波反射率、透射率與吸收率.連續(xù)Ti薄膜表現(xiàn)出寬頻太赫茲波吸收特性,但由于反射率較高(>70%),吸收率較低(約25%).當(dāng)形成二維周期結(jié)構(gòu)后,在較低的頻率處,周期Ti圓盤陣列具有很高的透射率(約95%).隨著頻率增大,透射率降低,反射率升高.吸收率與反射率的變化趨勢(shì)相似.在6.5 THz處,二維周期Ti圓盤陣列結(jié)構(gòu)的等離子體頻率與入射太赫茲波滿足波矢匹配條件,激發(fā)偽表面等離子體激元,引起共振吸收,峰值吸收率約為45%,此時(shí)透射率僅為10%左右.設(shè)置金屬圓盤厚度為10 nm,改變直徑(d)與周期(p),得到在3.5 THz(波長(zhǎng)為85.7 μm)下Ti圓盤陣列的太赫茲波吸收率隨著直徑周期比(d/p)的變化曲線,如圖3(b)所示.可以看出,隨著周期的增大(35-100 μm),吸收率總體呈現(xiàn)先增大后降低的規(guī)律,周期略小于波長(zhǎng)時(shí)可獲得最優(yōu)的吸收率.當(dāng)d/p在0.5-0.8之間時(shí),周期p=65 μm的Ti圓盤陣列在3.5 THz頻率處的吸收率更高; 當(dāng)d/p為0.9時(shí),周期p=85 μm的Ti圓盤陣列具有更高的太赫茲波吸收率.當(dāng)周期進(jìn)一步增大至大于波長(zhǎng)(p=100 μm)時(shí),吸收率又較低.這與前述共振吸收頻率隨著周期增大而降低的結(jié)論一致.在相同的周期下,隨著直徑增大(即d/p增大),圓盤間的間隙減小,吸收率逐漸增大.較小的間隙有助于圓盤之間的耦合效應(yīng)及其與入射光的波矢匹配,從而實(shí)現(xiàn)共振增強(qiáng)吸收.
圖2 Ti與Si3N4的材料參數(shù) (a) Ti在不同頻率下的nTi與kTi值; (b) Si3N4在不同頻率下的 nSi3N4 與 kSi3N4 值Fig.2.Material parameters of Ti and Si3N4:(a) nTi and kTi values of Ti at different frequencies; (b) nSi3N4 and kSi3N4 values of Si3N4 at different frequencies.
圖3 單層周期Ti圓盤陣列的太赫茲波吸收特性 (a)周期Ti圓盤陣列的太赫茲波反射率(R)、透射率(T)與吸收率(A)曲線(p=37 μm,d=14 μm,t=10 nm),插圖為厚度10 nm的連續(xù)Ti薄膜的太赫茲波反射率(R)、透射率(T)與吸收率(A)曲線;(b)不同直徑周期比(d/p)的Ti圓盤陣列在3.5 THz頻率處的太赫茲波吸收率Fig.3.Terahertz wave absorption characteristics of single-layer periodic Ti disk array:(a) Terahertz wave reflection (R),transmission (T),and absorption (A) curves for periodic Ti disk arrays (p=37 μm,d=14 μm,t=10 nm),inset:Reflection (R),transmission (T),and absorption (A) curves for a continuous Ti film with a thickness of 10 nm; (b) terahertz wave absorption at 3.5 THz for Ti disk arrays with different ratios of diameter and period (d/p).
圖3表明,要在較低的頻率處獲得較高的太赫茲波吸收率,需要Ti圓盤陣列具有較大的周期.為了滿足太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)大陣列、小像元的要求,固定圓盤陣列的周期(p)為37 μm,金屬Ti薄膜厚度(t)為10 nm,在圓盤陣列的下方增加真空腔(高度2 μm)與Ti反射層,如圖1(d)所示.當(dāng)圓盤直徑(d)為28 μm時(shí),該吸收結(jié)構(gòu)與連續(xù)Ti薄膜在不同頻率下的太赫茲波反射率、透過率與吸收率如圖4(a)所示.增加反射層之后,透射率基本為0,此時(shí),吸收率A=1 - R.當(dāng)反射率最小時(shí),吸收率達(dá)到最大值.與單層Ti圓盤陣列結(jié)構(gòu)相比,吸收峰值頻率(共振頻率)降低至5 THz,此時(shí)反射率為47%左右,吸收率達(dá)到了50%.真空腔的引入使太赫茲波吸收率有所增大,同時(shí)降低了吸收結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù),使得偽表面等離子體共振頻率 fsSPPs降低.而對(duì)于連續(xù)Ti薄膜,增加真空腔后仍然具有寬頻太赫茲波吸收特性,但吸收率有所降低,這是因?yàn)門i反射層增強(qiáng)了太赫茲波的反射導(dǎo)致的.
在實(shí)際器件中,Ti圓盤陣列制備在為微橋結(jié)構(gòu)的橋面支撐層上.因此,在吸收結(jié)構(gòu)中增加一層Si3N4薄膜用作支撐層,如圖1(e)所示.Si3N4支撐層的厚度為400 nm,圓盤陣列的周期(p)為37 μm,改變圓盤直徑,吸收結(jié)構(gòu)在不同頻率下的太赫茲波吸收率如圖4(b)所示.可以看出,隨著圓盤直徑的增加,偽表面等離子體共振頻率降低,且吸收率有所增大.當(dāng)圓盤直徑d=34 μm時(shí),共振吸收頻率為3.5 THz,峰值吸收率達(dá)到為55%.增加了Si3N4支撐層后,增加了諧振腔的高度,進(jìn)一步降低了吸收結(jié)構(gòu)的等離子體共振頻率.而隨著圓盤直徑的增加,即圓盤間隙減小,圓盤間的耦合增強(qiáng),損耗增大,吸收率也得到增強(qiáng).
當(dāng)改變Si3N4支撐層厚度時(shí),吸收結(jié)構(gòu)(p=37 μm,d=34 μm)在不同頻率下的太赫茲波吸收率如圖5(a)所示.可以看出,當(dāng)Si3N4厚度在0.2-0.6 μm之間變化時(shí),共振吸收頻率與峰值吸收率變化不大.但隨著Si3N4厚度的增大,在較低頻率處的吸收有明顯增強(qiáng).在3 THz頻率處,Si3N4厚度為0.2 μm時(shí),吸收率僅為33%,而當(dāng)Si3N4厚度為0.6 μm時(shí),吸收率增大至54%.在2.5 THz處,吸收率從13%增大至30%.因此,Si3N4厚度的增加改善了吸收結(jié)構(gòu)的寬頻吸收特性.但由于Si3N4薄膜貢獻(xiàn)了微橋探測(cè)結(jié)構(gòu)的大部分熱容,且對(duì)微橋結(jié)構(gòu)的力學(xué)支撐性能有較大影響,因此,Si3N4支撐層的厚度需要折中考慮.
圖4 帶有真空腔、反射層與支撐層的Ti圓盤陣列的太赫茲波吸收特性 (a) 增加真空腔與反射層后連續(xù)Ti薄膜與Ti圓盤陣列(p=37 μm,d=28 μm)在不同頻率下的太赫茲波反射率、透過率與吸收率; (b) 增加支撐層后連續(xù)Ti薄膜與不同直徑(d)的Ti圓盤陣列(p=37 μm)在不同頻率下的太赫茲波吸收率Fig.4.Terahertz wave absorption characteristics of periodic Ti disk arrays with resonant cavity reflection layer and supporting layer:(a) Terahertz wave reflection (R),transmission (T) and absorption (A) curves for continuous Ti film and periodic Ti disk arrays with resonant cavity and reflection layer (p=37 μm,d=28 μm); (b) terahertz absorption curve for continuous Ti film and periodic Ti disk arrays with different diameters (d) and a supporting layer (p=37 μm).
圖5 不同Si3N4支撐層厚度與Ti圓盤厚度的吸收結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收特性 (a)不同Si3N4支撐層厚度(h)的吸收結(jié)構(gòu)在不同頻率下的太赫茲波吸收率(p=37 μm,d=34 μm,t=10 nm); (b)不同Ti圓盤厚度(t)的吸收結(jié)構(gòu)在不同頻率下的太赫茲波吸收率,插圖為不同Ti圓盤厚度(t)的吸收結(jié)構(gòu)在3.5 THz下的峰值吸收率(p=37 μm,d=34 μm)Fig.5.Terahertz wave absorption characteristics of periodic Ti disk arrays with different thicknesses of supporting layer and Ti disks:(a) Terahertz absorption at different frequencies for absorption structures with different thicknesses (h) of Si3N4 support layers (p=37 μm,d=34 μm,t=10 nm); (b) terahertz absorption at different frequencies for absorption structures with different thicknesses (t) of Ti disks; Inset:Peak absorption rate at 3.5 THz for absorbing structures with different thicknesses (t) of Ti disks(p=37 μm,d=34 μm).
為了得到金屬層厚度對(duì)太赫茲波吸收率的影響,研究了具有不同厚度Ti圓盤陣列的吸收結(jié)構(gòu)在不同頻率下的太赫波吸收率,如圖5(b)所示.Ti圓盤陣列的周期為37 μm,圓盤直徑為28 μm.可以看出,當(dāng)Ti圓盤陣列的厚度變化時(shí),吸收結(jié)構(gòu)的共振吸收頻率保持不變(3.5 THz),這說明共振吸收頻率與金屬圓盤厚度無關(guān),僅由圓盤陣列周期、直徑以及支撐層厚度等吸收結(jié)構(gòu)參數(shù)決定.圖5(b)中插圖顯示了峰值吸收率隨著Ti圓盤陣列厚度的變化曲線,表明當(dāng)Ti圓盤陣列厚度從10 nm開始增大時(shí),峰值吸收率先增大,在厚度為40 nm時(shí)達(dá)到最大值(86%),然后開始有所下降,這是因?yàn)槠浞瓷渎试龃笠鸬?改變Ti圓盤陣列厚度可以調(diào)節(jié)吸收結(jié)構(gòu)的等效阻抗,當(dāng)其等效阻抗與自由空間阻抗相匹配時(shí),所有入射光被限制在吸收結(jié)構(gòu)中,反射率基本為0,從而獲得很高的吸收率.從圖5(b)還可以看出,Ti圓盤陣列厚度的增大會(huì)顯著降低在較高頻率處的吸收率,使得吸收峰變窄.
為了證明集成在微橋結(jié)構(gòu)中的Ti圓盤陣列對(duì)太赫茲波的增強(qiáng)吸收作用,計(jì)算了吸收結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)分布.假設(shè)入射太赫茲波為垂直入射的TE波(由于吸收結(jié)構(gòu)在x,y方向的對(duì)稱性,對(duì)入射波沒有偏振選擇性),Ti圓盤陣列的周期為37 μm、直徑為34 μm、厚度為40 nm,Si3N4支撐層厚度為400 nm,真空腔高度為2 μm,反射層厚度為200 nm,該吸收結(jié)構(gòu)在峰值吸收頻率處(3.5 THz,如圖5(b))的電場(chǎng)分布如圖6(a)與圖6(b)所示.圖6(a)為yz平面的電場(chǎng)分布,表明電場(chǎng)主要分布在Ti圓盤陣列層表面; 圖6(b)為xy平面的電場(chǎng)分布,可以看出電場(chǎng)主要分布在Ti圓盤邊緣與圓盤之間.這與亞波長(zhǎng)周期金屬結(jié)構(gòu)在太赫茲波段激發(fā)偽表面等離子體激元的特性相符.太赫茲波能量被限制在Ti圓盤陣列層,形成偽表面等離子體共振,并因?yàn)門i金屬薄膜的歐姆損耗而被吸收.同時(shí),支撐層、真空腔、反射層與Ti圓盤陣列層形成諧振腔結(jié)構(gòu),進(jìn)一步增強(qiáng)了太赫茲波與Ti圓盤陣列吸收層的相互作用,使得在較低頻率處獲得了高太赫茲波吸收率.
圖6 共振吸收頻率(3.5 THz)下吸收結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布 (a) yz平面上吸收結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布; (b) xy平面上吸收結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布(p=37 μm,d=34 μm,t=40 nm)Fig.6.Electric field distribution of the absorption structure at the resonance absorption frequency (3.5 THz):(a) Electric field distribution in the yz plane; (b) electric field distribution in the xy plane (p=37 μm,d=34 μm,t=40 nm).
本文將二維周期Ti圓盤陣列集成在微橋結(jié)構(gòu)中,以增強(qiáng)太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)的吸收率.基于RCWA方法,研究了Ti圓盤陣列及其在微橋陣列結(jié)構(gòu)中的太赫茲波吸收特性,探討了微橋結(jié)構(gòu)與周期Ti圓盤層尺寸參數(shù)對(duì)太赫茲波吸收的影響.研究表明,通過構(gòu)造周期圓盤結(jié)構(gòu),可以有效降低金屬的表面等離子體頻率,實(shí)現(xiàn)偽表面等離子體共振增強(qiáng)吸收.共振吸收頻率由結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)(周期、間隙)決定,通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)可以激發(fā)不同頻段的表面等離子體激元.支撐層、真空腔與反射層的引入進(jìn)一步降低了共振頻率并增強(qiáng)了耦合效率.當(dāng)Ti圓盤陣列的周期為37 μm、直徑為28 μm、厚度為40 nm時(shí),微橋吸收結(jié)構(gòu)在3.5 THz (波長(zhǎng)85.7 μm)獲得接近90%的吸收率.本文突破衍射極限,以小尺寸的吸收結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)太赫茲波約束,為太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器提供了一種簡(jiǎn)單高效、工藝兼容的增強(qiáng)吸收與探測(cè)性能的方法.