基于雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)的紅外輻射調(diào)控方法研究

吳元慶,王 婷,李崎嫚,劉春梅

(渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 錦州 121013)

近年來,半導(dǎo)體制備技術(shù)發(fā)展迅速,尤其是高精度微納結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)使得光學(xué)、光子學(xué)、電磁學(xué)的進(jìn)展有了新的依托,從而在微納光學(xué)領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步[1]。傳統(tǒng)光學(xué)器件由于受到衍射極限的影響,難以實現(xiàn)小型化,而表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)技術(shù)的快速進(jìn)步為相關(guān)問題的解決提供了途徑。表面等離激元是一種存在于金屬和介質(zhì)界面處的電磁場耦合振蕩形式,這種電磁形式可以實現(xiàn)電磁波的多維度調(diào)制,在紅外吸收領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[2]。

基于不同材料的金屬/介質(zhì)/金屬(MIM) 復(fù)合光柵陣列結(jié)構(gòu),能夠有效激發(fā)出SPP 耦合效應(yīng),在紅外波段實現(xiàn)超吸收特性。由MIM 介質(zhì)腔構(gòu)成的法布里-珀羅(FP)諧振器,能夠?qū)崿F(xiàn)諧振波長的調(diào)控,形成紅外輻射調(diào)控機(jī)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[3]。McCrindle 等[4]利用微納加工技術(shù),成功制備一種可以用于多光譜的濾波器,通過結(jié)構(gòu)周期調(diào)整,可以實現(xiàn)紅外吸收波段的調(diào)控。Dao 等[5]利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù),以膠體做掩膜,成功形成厘米級別的MIM 紅外吸收體,能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶下98%的吸收率,通過幾何尺寸的調(diào)整,可以實現(xiàn)吸收峰的紅外波長移動。上述結(jié)構(gòu)的研究均以促進(jìn)紅外吸收為研究目標(biāo),并沒有與紅外傳感器結(jié)合,不能發(fā)揮傳感器自身的結(jié)構(gòu)條件,無法精準(zhǔn)提高傳感器的性能。

本文結(jié)合紅外傳感器自身結(jié)構(gòu),與金屬/介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合,構(gòu)建多耦合諧振腔體,利用表面等離激元機(jī)制,有效提高傳感器對紅外輻射的吸收能力,結(jié)合有限差分和SPP 色散理論,對耦合吸收的物理機(jī)制展開研究,使得紅外傳感器在其工作波段的性能得到提升。

1 紅外輻射調(diào)控理論

1.1 表面等離激元

傳播表面等離激元(Propagation Surface Plasmon,PSP)是一種金屬中的電子與光子在金屬和介質(zhì)界面振蕩的一種相互作用形式[6]。

當(dāng)金屬表面入射光子時,在金屬和介質(zhì)的相互作用下,自由電子的振蕩頻率與光子的振蕩頻率一致,此時會產(chǎn)生一種共振[7]。這種共振使得電磁場的能量被有效束縛在金屬與介質(zhì)交界面,沿著平坦的表面?zhèn)鞑?在垂直界面的方向上呈指數(shù)衰減,有效距離為納米級。

當(dāng)PSP 在金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鬟f時,表現(xiàn)出特殊的電磁場形式。在金屬和介質(zhì)界面內(nèi)傳遞時表現(xiàn)為不同的介電常數(shù),分別為金屬范圍內(nèi)傳播的介電常數(shù)ε(ω)和介質(zhì)范圍內(nèi)傳播的介電常數(shù)εD。

利用麥克斯韋方程,可以對這種特殊的電磁場通過色散關(guān)系進(jìn)行描述,表達(dá)式為:

式中:kpsp為在金屬-介質(zhì)交界面?zhèn)鞑サ腜SP 波矢;k0為真空中光子傳播的波矢,表達(dá)式為k0=2π/c,c為光速。

由式(1)可知,等離激元在金屬-介質(zhì)表面的傳播與兩個材料的介電常數(shù)息息相關(guān),說明等離激元與電磁波的頻率波動有關(guān)。

為了分析金屬材料的等離激元機(jī)制,需要引入Drude-Lorentz 模型,對其介電常數(shù)進(jìn)行分析,使其滿足:

式中:γ為耦合作用情況下電子振蕩時的阻尼;ωp為等離激元的共振頻率,表達(dá)式為:

式中:m為金屬介質(zhì)中電子的有效質(zhì)量;n為金屬材料外部的自由電子密度。

1.2 紅外調(diào)控吸收機(jī)制

對于紅外輻射的調(diào)控,主要是利用材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的耦合實現(xiàn)電磁諧振,進(jìn)而形成器件結(jié)構(gòu)的紅外輻射吸收效果[8]。

結(jié)構(gòu)材料的電學(xué)參數(shù),可以用復(fù)介電常數(shù)ε=ε′ -jε″和復(fù)磁導(dǎo)率μ=μ′ -jμ″來描述。由于復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率均存在虛部,即ε″和μ″,使得材料對入射的電磁波具有重要的損耗屬性,利用這個性質(zhì),可以實現(xiàn)紅外輻射的促吸收及調(diào)控。

材料的電磁屬性可以由Maxwell 方程進(jìn)行計算,即:

式中:σ表示結(jié)構(gòu)材料等效電導(dǎo)率;E為電場強(qiáng)度;ε′為介電常數(shù)實部;ω為諧振頻率。對式(4)進(jìn)行化簡,可以得到:

由介電常數(shù)的表達(dá)式,可以對式(5)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,表示為:

同理,復(fù)磁導(dǎo)率μ可以表示為:

由上式可知,隨著ε″和μ″的增大,結(jié)構(gòu)材料對于電磁波的損耗也越來越大,進(jìn)而對于紅外輻射的吸收性能也就越好。從而可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)材料的綜合復(fù)介電常數(shù)或復(fù)磁導(dǎo)率,來實現(xiàn)吸收率的調(diào)控。當(dāng)材料的ε=μ時,由于阻抗匹配的關(guān)系,甚至可以實現(xiàn)對應(yīng)紅外輻射的完美吸收[9]。

1.3 MIM 諧振腔

諧振腔結(jié)構(gòu)主要是用金屬或者高介電材料進(jìn)行封閉,使得電場能量和磁場能量被緊密包裹其中,利用夾層中介質(zhì)材料的熱損耗實現(xiàn)吸收的促進(jìn)[10]。

對于多層平面的傳感器結(jié)構(gòu),通過結(jié)構(gòu)的微調(diào),能夠在其內(nèi)部形成若干個等效的諧振腔,這些諧振腔表現(xiàn)為多個離散的特征場,通過腔體結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀的優(yōu)化以及介電參數(shù)的改變,能夠?qū)崿F(xiàn)對特定波長的促進(jìn)吸收。

在焦平面陣列的像元之中,利用半導(dǎo)體加工工藝,使其內(nèi)部嵌入一定的金屬介質(zhì)結(jié)構(gòu),從而使得傳感器結(jié)構(gòu)形成金屬/介質(zhì)/金屬(Metal-Insulator-Metal,MIM)的設(shè)計形式,結(jié)合諧振腔的結(jié)構(gòu),有效實現(xiàn)紅外輻射的調(diào)控和吸收[11]。

當(dāng)紅外輻射通過結(jié)構(gòu)表面,進(jìn)入到傳感器內(nèi)部時,由于受到耦合機(jī)制的限制,使得光子能量被限制在復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中。該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為MIM 結(jié)構(gòu),形成用于光學(xué)窄帶吸收的法布里-珀羅(FP)諧振腔。

根據(jù)波長與材料厚度的關(guān)系,當(dāng)其參數(shù)匹配時,即入射光線的頻率與諧振腔的特征頻率匹配時,在諧振腔內(nèi)出現(xiàn)駐波效應(yīng),能夠?qū)崿F(xiàn)光能的束縛,利用結(jié)構(gòu)構(gòu)造多個諧振腔,可以實現(xiàn)對于特定波段的促進(jìn)吸收,提高傳感器的工作效率,并進(jìn)一步利用材料損耗轉(zhuǎn)換為熱能,提高紅外能量的吸收效率。

2 光學(xué)仿真參數(shù)

2.1 模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建

利用本文理論,對紅外焦平面陣列傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),在結(jié)構(gòu)中增加兩個光柵結(jié)構(gòu),用于特征吸收光線的耦合吸收,并在結(jié)構(gòu)的底部增加金屬反射層,使反射層的厚度遠(yuǎn)大于光子的趨膚深度[12]。在兩層金屬光柵與底部反射層間,由于結(jié)構(gòu)的耦合,會形成三個MIM 結(jié)構(gòu),用于促進(jìn)特征紅外光線的吸收。

對于紅外焦平面陣列傳感器,其自身的結(jié)構(gòu)為氮化硅-VOx-氮化硅結(jié)構(gòu),利用VOx吸收層進(jìn)行紅外輻射吸收,上下兩層氮化硅分別為鈍化層和支撐層,主要起到保護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。分別在兩層氮化硅和VOx的交界面位置增加金屬光柵,上層金屬光柵1 為Ag 材料,下層金屬光柵2 為Ti 材料。在結(jié)構(gòu)的底層增加一定厚度的Ag 材料,防止紅外輻射的透射,提高入射光線的二次吸收能力。

整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計為周期性結(jié)構(gòu),從而可以通過分析一個周期的結(jié)構(gòu)性質(zhì),實現(xiàn)對整個傳感器性能的了解,改進(jìn)后單個紅外焦平面?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 改進(jìn)后的紅外傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Improved infrared sensor structure

參考紅外焦平面紅外傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)定優(yōu)化后周期性結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)為: 結(jié)構(gòu)周期為5 μm,Ag 材料金屬光柵1 和Ti 材料金屬光柵2 的周期與結(jié)構(gòu)相同,光柵初始厚度均為100 nm,上層氮化硅為厚度200 nm 的鈍化層,下層氮化硅為厚度300 nm 的支撐層,吸收層VOx材料厚度為350 nm,底部Ag 材料反射層的厚度為300 nm[13]。

由于入射光線中的S 偏振光無法在二維模型結(jié)構(gòu)中生成SPP 波,本文模型主要考慮入射光為垂直器件表面入射方向,偏振光主要為P 偏振光,偏振方向平行于入射面。仿真入射紅外光的波長范圍為2～20 μm。

2.2 材料參數(shù)設(shè)定

對于金屬材料和金屬氧化物材料,其光學(xué)性質(zhì)可以利用色散關(guān)系模型來進(jìn)行描述,對于一般性的非磁性材料,其磁導(dǎo)率接近1,從而根據(jù)前文分析,通過結(jié)構(gòu)材料的介電常數(shù)來分析器件的性能。

對于本文的吸收層材料VOx參數(shù)均來自于文獻(xiàn)[14]。其他金屬光柵材料Ag 和Ti,其光學(xué)色散關(guān)系的參數(shù)來自于文獻(xiàn)[15]。

3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 光柵參數(shù)對吸收效率的影響

3.1.1 光柵位置對紅外吸收的影響

分別改變金屬光柵1 和金屬光柵2 的位置,討論不同的光柵位置對紅外吸收的調(diào)制作用。根據(jù)前文的分析可知,金屬光柵的位置,與F-P 諧振腔的厚度有關(guān),從而影響到整個器件的紅外吸收峰。

改變Ag 金屬光柵1 的位置,其對輻射吸收的影響結(jié)果如圖2 所示。圖中y1的位置表示與底層Ag 反射層上表面的距離,下同。

圖2 吸收率與光柵1 位置的關(guān)系Fig.2 Relationship between absorbance and grating 1 position

從圖2 可以看到,隨著Ag 金屬光柵1 位置的逐漸增大,整個結(jié)構(gòu)的紅外吸收峰逐漸呈現(xiàn)左移的趨勢,且在10 μm 附近和6～8 μm 的吸收率呈現(xiàn)增大的趨勢,對2～4 μm 的吸收率影響相對較小,4.5 μm 附近的吸收峰表現(xiàn)增大的趨勢。

改變Ti 金屬光柵2 的位置,其對紅外輻射吸收的影響結(jié)果如圖3 所示。

圖3 吸收率與光柵2 位置的關(guān)系Fig.3 Relationship between absorbance and grating 2 position

從圖3 可以看到,隨著金屬光柵2 位置的逐漸上移,整個結(jié)構(gòu)的紅外吸收峰同樣呈現(xiàn)左移的趨勢,且吸收峰的變化在8～20 μm 之間變化較為明顯,吸收峰左移的同時,最右側(cè)的吸收峰下降,在10 μm 附近吸收率上升,而其他位置的吸收峰影響較小。

3.1.2 結(jié)構(gòu)周期對紅外吸收的影響

改變整個結(jié)構(gòu)的周期會影響到結(jié)構(gòu)中光柵的分布,從而會影響到結(jié)構(gòu)的紅外吸收性能,具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 吸收率與結(jié)構(gòu)周期的關(guān)系Fig.4 Relationship between absorbance and structural period

由圖4 可以看到,隨著結(jié)構(gòu)周期的增大,紅外吸收峰呈現(xiàn)紅移的現(xiàn)象,10～16 μm 之間的兩個吸收峰逐漸分裂,分別向兩側(cè)移動,且周期越大,右側(cè)的吸收峰吸收率越高。

3.1.3 光柵占空比對紅外吸收的影響

光柵的占空比會影響到整個復(fù)合結(jié)構(gòu)中金屬材料的排布,改變Ag 金屬光柵1 的占空比,其對紅外吸收的影響結(jié)果如圖5 所示。

圖5 吸收率與光柵1 占空比的關(guān)系Fig.5 Relationship between absorbance and duty cycle of grating 1

由圖5 可以看到,光柵占空比的改變會使得波長8～14 μm 之間的吸收峰左移,且在10 μm 位置附近分裂出新的吸收峰,占空比越高,右側(cè)吸收峰下降的越多,而新的吸收峰則越高。

同理,改變光柵2 的占空比,分析其對紅外吸收的影響情況,結(jié)果如圖6 所示。

圖6 吸收率與光柵2 占空比的關(guān)系Fig.6 Relationship between absorbance and duty cycle of grating 2

由圖6 可以看到,光柵2 的占空比變化情況與光柵1 的結(jié)果類似,同樣表現(xiàn)為右側(cè)吸收峰的左移和新吸收峰的分裂出現(xiàn)。

3.1.4 光柵厚度對紅外吸收的影響

改變結(jié)構(gòu)中光柵1 的厚度,其對紅外吸收的影響如圖7 所示。

由圖7 可以發(fā)現(xiàn),隨著光柵1 厚度的變化,整個波段范圍內(nèi)的吸收峰都出現(xiàn)了較大的變化,整體表現(xiàn)的趨勢為吸收峰左移,且吸收峰的高度均呈現(xiàn)上升趨勢,尤其是在3～5 μm 之間的兩個吸收峰均大幅上升。

圖7 吸收率與光柵1 厚度的關(guān)系Fig.7 Relationship between absorbance and thickness of grating 1

改變結(jié)構(gòu)中光柵2 的厚度,其對紅外吸收的影響如圖8 所示。

由圖8 的結(jié)果能夠看到,隨著光柵2 厚度的增大,整個結(jié)構(gòu)的吸收峰同樣出現(xiàn)左移,與光柵1 相比,變化比較大的地方在于,3～5 μm 之間的兩個吸收峰雖有所增大,但沒有光柵1 的影響效果明顯。整個波段右側(cè)的吸收峰隨著左移的過程逐漸分裂成兩個吸收峰,且6～10 μm 之間的吸收峰逐漸增高。

圖8 吸收率與光柵2 厚度的關(guān)系Fig.8 Relationship between absorbance and thickness of grating 2

3.1.5 鈍化層厚度對紅外吸收的影響

由于鈍化層主要起到結(jié)構(gòu)保護(hù)和能量消耗的作用,氮化硅鈍化層會影響到紅外焦平面陣列的紅外吸收效果。

改變鈍化層厚度,分析其對紅外吸收的影響,結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可以看到,氮化硅鈍化層會影響整個結(jié)構(gòu)的紅外吸收效果,隨著鈍化層厚度的增大,整個結(jié)構(gòu)的吸收呈現(xiàn)紅移,且在6～20 μm 波長范圍內(nèi),出現(xiàn)了兩個新的吸收峰,且峰值均具有不錯的吸收率。

圖9 吸收率與鈍化層厚度的關(guān)系Fig.9 Relationship between absorbance and thickness of passivation layer

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)前文的研究,通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)的調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化,使得整個結(jié)構(gòu)在對應(yīng)的吸收范圍具有最大的紅外吸收率?？紤]到紅外焦平面陣列傳感器的工作范圍,需要兼顧3～5 μm 和8～14 μm 的波長范圍。

分別考慮兩個波段范圍內(nèi)的最大吸收情況,對于3～5 μm 的波長范圍,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為: 光柵1 的相對位置是0.68 μm,光柵2 的位置是1.01 μm,整個結(jié)構(gòu)的周期為1 μm,兩個金屬光柵的占空比均為0.9,光柵1 厚度為0.01 μm,光柵2 厚度為0.015 μm,鈍化層厚度為0.4 μm。

優(yōu)化后的曲線及其與不含光柵結(jié)構(gòu)的曲線對比情況如圖10 所示。

由圖10 可以發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的曲線在3～5 μm 的波長范圍吸收率大幅上升,整個波長范圍內(nèi)的平均吸收率達(dá)到79.56%。且在該范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個吸收峰,最大的吸收峰位于4 μm 處,吸收率達(dá)到99.36%,該位置處的電場分布情況如圖11 所示。

圖10 波長3～5 μm 范圍內(nèi)的優(yōu)化吸收曲線對比Fig.10 Comparison of optimized absorption curves in the range of wavelength 3-5 μm

圖11 優(yōu)化后模型在波長4 μm 處的電場分布Fig.11 Electric field distribution at optimized model at wavelength of 4 μm

同樣,對于波長8～14 μm 范圍,其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)為: 光柵1 的相對位置為0.63 μm,光柵2 的相對位置為0.51 μm,整個結(jié)構(gòu)的周期為1 μm,光柵1的占空比為0.6,光柵2 的占空比為0.9,光柵1 厚度為0.005 μm,光柵2 厚度為0.015 μm,鈍化層厚度為0.3 μm。

優(yōu)化后的曲線及其對比情況如圖12 所示。

由圖12 可以發(fā)現(xiàn),對于優(yōu)化后的曲線在8～14 μm范圍,吸收率同樣大幅上升,整個波段范圍內(nèi)的平均吸收率達(dá)到75.30%。吸收率最高的位置為波長9.6 μm 處,吸收率為91.96%,其對應(yīng)的電場分布圖如圖13 所示。

圖12 波長8～14 μm 范圍內(nèi)的優(yōu)化吸收曲線對比Fig.12 Comparison of optimized absorption curves in the range of wavelength 8-14 μm

圖13 優(yōu)化后模型在波長9.6 μm 處的電場分布Fig.13 Electric field distribution at optimized model at wavelength of 9.6 μm

4 結(jié)論

本文研究了基于表面等離激元技術(shù)的紅外輻射調(diào)控方法,通過對紅外焦平面陣列芯片單元的結(jié)構(gòu)中添加Ag 材料光柵和Ti 材料光柵結(jié)構(gòu),并在底面添加Ag材料反射層,利用金屬材料和介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù),通過結(jié)構(gòu)耦合和光學(xué)諧振腔的調(diào)整,提高整個結(jié)構(gòu)材料的紅外輻射促吸收作用。分析不同光柵參數(shù)對結(jié)構(gòu)吸收的率影響,利用材料參數(shù)優(yōu)化,實現(xiàn)3～5 μm 和8～14 μm 波長范圍內(nèi)吸收率的大幅提高,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大吸收率達(dá)到99.36%,3～5 μm 波長范圍內(nèi)的平均吸收率達(dá)到79.56%,8～14 μm 波長范圍內(nèi)的平均吸收率達(dá)到75.30%。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有良好的紅外調(diào)制作用,可以促進(jìn)紅外傳感器件的特定波長吸收效率,使得器件在中遠(yuǎn)紅外方面的效果更好,具有重要的應(yīng)用價值,可以有效應(yīng)用于紅外隱身、紅外測輻射等軍事和民用領(lǐng)域。