基于雙層金屬光柵結構的紅外輻射調控方法研究

吳元慶,王 婷,李崎嫚,劉春梅

(渤海大學 物理科學與技術學院,遼寧 錦州 121013)

近年來,半導體制備技術發展迅速,尤其是高精度微納結構的實現使得光學、光子學、電磁學的進展有了新的依托,從而在微納光學領域取得了長足的進步[1]。傳統光學器件由于受到衍射極限的影響,難以實現小型化,而表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)技術的快速進步為相關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界面處的電磁場耦合振蕩形式,這種電磁形式可以實現電磁波的多維度調制,在紅外吸收領域具有重要的應用價值[2]。

基于不同材料的金屬/介質/金屬(MIM) 復合光柵陣列結構,能夠有效激發出SPP 耦合效應,在紅外波段實現超吸收特性。由MIM 介質腔構成的法布里-珀羅(FP)諧振器,能夠實現諧振波長的調控,形成紅外輻射調控機制的結構基礎[3]。McCrindle 等[4]利用微納加工技術,成功制備一種可以用于多光譜的濾波器,通過結構周期調整,可以實現紅外吸收波段的調控。Dao 等[5]利用反應離子刻蝕技術,以膠體做掩膜,成功形成厘米級別的MIM 紅外吸收體,能夠實現窄帶下98%的吸收率,通過幾何尺寸的調整,可以實現吸收峰的紅外波長移動。上述結構的研究均以促進紅外吸收為研究目標,并沒有與紅外傳感器結合,不能發揮傳感器自身的結構條件,無法精準提高傳感器的性能。

本文結合紅外傳感器自身結構,與金屬/介質微納結構有機結合,構建多耦合諧振腔體,利用表面等離激元機制,有效提高傳感器對紅外輻射的吸收能力,結合有限差分和SPP 色散理論,對耦合吸收的物理機制展開研究,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界面振蕩的一種相互作用形式[6]。

當金屬表面入射光子時,在金屬和介質的相互作用下,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交界面,沿著平坦的表面傳播,在垂直界面的方向上呈指數衰減,有效距離為納米級。

當PSP 在金屬和介質界面傳遞時,表現出特殊的電磁場形式。在金屬和介質界面內傳遞時表現為不同的介電常數,分別為金屬范圍內傳播的介電常數ε(ω)和介質范圍內傳播的介電常數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系進行描述,表達式為:

式中:kpsp為在金屬-介質交界面傳播的PSP 波矢;k0為真空中光子傳播的波矢,表達式為k0=2π/c,c為光速。

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

為了分析金屬材料的等離激元機制,需要引入Drude-Lorentz 模型,對其介電常數進行分析,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,表達式為:

式中:m為金屬介質中電子的有效質量;n為金屬材料外部的自由電子密度。

1.2 紅外調控吸收機制

對于紅外輻射的調控,主要是利用材料的結構性質和結構的耦合實現電磁諧振,進而形成器件結構的紅外輻射吸收效果[8]。

結構材料的電學參數,可以用復介電常數ε=ε′ -jε″和復磁導率μ=μ′ -jμ″來描述。由于復介電常數和復磁導率均存在虛部,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,可以實現紅外輻射的促吸收及調控。

材料的電磁屬性可以由Maxwell 方程進行計算,即:

式中:σ表示結構材料等效電導率;E為電場強度;ε′為介電常數實部;ω為諧振頻率。對式(4)進行化簡,可以得到:

由介電常數的表達式,可以對式(5)進行轉換,表示為:

同理,復磁導率μ可以表示為:

由上式可知,隨著ε″和μ″的增大,結構材料對于電磁波的損耗也越來越大,進而對于紅外輻射的吸收性能也就越好。從而可以通過調整結構材料的綜合復介電常數或復磁導率,來實現吸收率的調控。當材料的ε=μ時,由于阻抗匹配的關系,甚至可以實現對應紅外輻射的完美吸收[9]。

1.3 MIM 諧振腔

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

對于多層平面的傳感器結構,通過結構的微調,能夠在其內部形成若干個等效的諧振腔,這些諧振腔表現為多個離散的特征場,通過腔體結構、尺寸、形狀的優化以及介電參數的改變,能夠實現對特定波長的促進吸收。

在焦平面陣列的像元之中,利用半導體加工工藝,使其內部嵌入一定的金屬介質結構,從而使得傳感器結構形成金屬/介質/金屬(Metal-Insulator-Metal,MIM)的設計形式,結合諧振腔的結構,有效實現紅外輻射的調控和吸收[11]。

當紅外輻射通過結構表面,進入到傳感器內部時,由于受到耦合機制的限制,使得光子能量被限制在復合結構構成的光學諧振腔中。該結構呈現為MIM 結構,形成用于光學窄帶吸收的法布里-珀羅(FP)諧振腔。

根據波長與材料厚度的關系,當其參數匹配時,即入射光線的頻率與諧振腔的特征頻率匹配時,在諧振腔內出現駐波效應,能夠實現光能的束縛,利用結構構造多個諧振腔,可以實現對于特定波段的促進吸收,提高傳感器的工作效率,并進一步利用材料損耗轉換為熱能,提高紅外能量的吸收效率。

2 光學仿真參數

2.1 模型結構構建

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

對于紅外焦平面陣列傳感器,其自身的結構為氮化硅-VOx-氮化硅結構,利用VOx吸收層進行紅外輻射吸收,上下兩層氮化硅分別為鈍化層和支撐層,主要起到保護結構穩定的作用。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。在結構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。

整個結構的設計為周期性結構,從而可以通過分析一個周期的結構性質,實現對整個傳感器性能的了解,改進后單個紅外焦平面傳感器結構如圖1 所示。

圖1 改進后的紅外傳感器結構Fig.1 Improved infrared sensor structure

參考紅外焦平面紅外傳感器的結構參數,設定優化后周期性結構的初始參數為: 結構周期為5 μm,Ag 材料金屬光柵1 和Ti 材料金屬光柵2 的周期與結構相同,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構中生成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 材料參數設定

對于金屬材料和金屬氧化物材料,其光學性質可以利用色散關系模型來進行描述,對于一般性的非磁性材料,其磁導率接近1,從而根據前文分析,通過結構材料的介電常數來分析器件的性能。

對于本文的吸收層材料VOx參數均來自于文獻[14]。其他金屬光柵材料Ag 和Ti,其光學色散關系的參數來自于文獻[15]。

3 實驗結果與數據分析

3.1 光柵參數對吸收效率的影響

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制作用。根據前文的分析可知,金屬光柵的位置,與F-P 諧振腔的厚度有關,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,整個結構的紅外吸收峰逐漸呈現左移的趨勢,且在10 μm 附近和6～8 μm 的吸收率呈現增大的趨勢,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果如圖3 所示。

圖3 吸收率與光柵2 位置的關系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,整個結構的紅外吸收峰同樣呈現左移的趨勢,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 結構周期對紅外吸收的影響

改變整個結構的周期會影響到結構中光柵的分布,從而會影響到結構的紅外吸收性能,具體結果如圖4所示。

圖4 吸收率與結構周期的關系Fig.4 Relationship between absorbance and structural period

由圖4 可以看到,隨著結構周期的增大,紅外吸收峰呈現紅移的現象,10～16 μm 之間的兩個吸收峰逐漸分裂,分別向兩側移動,且周期越大,右側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合結構中金屬材料的排布,改變Ag 金屬光柵1 的占空比,其對紅外吸收的影響結果如圖5 所示。

圖5 吸收率與光柵1 占空比的關系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,結果如圖6 所示。

圖6 吸收率與光柵2 占空比的關系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 的結果類似,同樣表現為右側吸收峰的左移和新吸收峰的分裂出現。

3.1.4 光柵厚度對紅外吸收的影響

改變結構中光柵1 的厚度,其對紅外吸收的影響如圖7 所示。

由圖7 可以發現,隨著光柵1 厚度的變化,整個波段范圍內的吸收峰都出現了較大的變化,整體表現的趨勢為吸收峰左移,且吸收峰的高度均呈現上升趨勢,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 厚度的關系Fig.7 Relationship between absorbance and thickness of grating 1

改變結構中光柵2 的厚度,其對紅外吸收的影響如圖8 所示。

由圖8 的結果能夠看到,隨著光柵2 厚度的增大,整個結構的吸收峰同樣出現左移,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構保護和能量消耗的作用,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構的紅外吸收效果,隨著鈍化層厚度的增大,整個結構的吸收呈現紅移,且在6～20 μm 波長范圍內,出現了兩個新的吸收峰,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系Fig.9 Relationship between absorbance and thickness of passivation layer

3.2 優化結果

根據前文的研究,通過對復合結構的調整和參數優化,使得整個結構在對應的吸收范圍具有最大的紅外吸收率。考慮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的最大吸收情況,對于3～5 μm 的波長范圍,優化后的結構參數分別為: 光柵1 的相對位置是0.68 μm,光柵2 的位置是1.01 μm,整個結構的周期為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。

優化后的曲線及其與不含光柵結構的曲線對比情況如圖10 所示。

由圖10 可以發現,優化后的曲線在3～5 μm 的波長范圍吸收率大幅上升,整個波長范圍內的平均吸收率達到79.56%。且在該范圍內出現兩個吸收峰,最大的吸收峰位于4 μm 處,吸收率達到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 范圍內的優化吸收曲線對比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,其優化后的結構參數為: 光柵1 的相對位置為0.63 μm,光柵2 的相對位置為0.51 μm,整個結構的周期為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。

優化后的曲線及其對比情況如圖12 所示。

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

圖12 波長8～14 μm 范圍內的優化吸收曲線對比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 結論

本文研究了基于表面等離激元技術的紅外輻射調控方法,通過對紅外焦平面陣列芯片單元的結構中添加Ag 材料光柵和Ti 材料光柵結構,并在底面添加Ag材料反射層,利用金屬材料和介質材料的復介電常數,通過結構耦合和光學諧振腔的調整,提高整個結構材料的紅外輻射促吸收作用。分析不同光柵參數對結構吸收的率影響,利用材料參數優化,實現3～5 μm 和8～14 μm 波長范圍內吸收率的大幅提高,優化后結構的最大吸收率達到99.36%,3～5 μm 波長范圍內的平均吸收率達到79.56%,8～14 μm 波長范圍內的平均吸收率達到75.30%。優化后的結構具有良好的紅外調制作用,可以促進紅外傳感器件的特定波長吸收效率,使得器件在中遠紅外方面的效果更好,具有重要的應用價值,可以有效應用于紅外隱身、紅外測輻射等軍事和民用領域。