基于双层金属光栅结构的红外辐射调控方法研究

吴元庆,王 婷,李崎嫚,刘春梅

(渤海大学 物理科学与技术学院,辽宁 锦州 121013)

近年来,半导体制备技术发展迅速,尤其是高精度微纳结构的实现使得光学、光子学、电磁学的进展有了新的依托,从而在微纳光学领域取得了长足的进步[1]。传统光学器件由于受到衍射极限的影响,难以实现小型化,而表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)技术的快速进步为相关问题的解决提供了途径。表面等离激元是一种存在于金属和介质界面处的电磁场耦合振荡形式,这种电磁形式可以实现电磁波的多维度调制,在红外吸收领域具有重要的应用价值[2]。

基于不同材料的金属/介质/金属(MIM) 复合光栅阵列结构,能够有效激发出SPP 耦合效应,在红外波段实现超吸收特性。由MIM 介质腔构成的法布里-珀罗(FP)谐振器,能够实现谐振波长的调控,形成红外辐射调控机制的结构基础[3]。McCrindle 等[4]利用微纳加工技术,成功制备一种可以用于多光谱的滤波器,通过结构周期调整,可以实现红外吸收波段的调控。Dao 等[5]利用反应离子刻蚀技术,以胶体做掩膜,成功形成厘米级别的MIM 红外吸收体,能够实现窄带下98%的吸收率,通过几何尺寸的调整,可以实现吸收峰的红外波长移动。上述结构的研究均以促进红外吸收为研究目标,并没有与红外传感器结合,不能发挥传感器自身的结构条件,无法精准提高传感器的性能。

本文结合红外传感器自身结构,与金属/介质微纳结构有机结合,构建多耦合谐振腔体,利用表面等离激元机制,有效提高传感器对红外辐射的吸收能力,结合有限差分和SPP 色散理论,对耦合吸收的物理机制展开研究,使得红外传感器在其工作波段的性能得到提升。

1 红外辐射调控理论

1.1 表面等离激元

传播表面等离激元(Propagation Surface Plasmon,PSP)是一种金属中的电子与光子在金属和介质界面振荡的一种相互作用形式[6]。

当金属表面入射光子时,在金属和介质的相互作用下,自由电子的振荡频率与光子的振荡频率一致,此时会产生一种共振[7]。这种共振使得电磁场的能量被有效束缚在金属与介质交界面,沿着平坦的表面传播,在垂直界面的方向上呈指数衰减,有效距离为纳米级。

当PSP 在金属和介质界面传递时,表现出特殊的电磁场形式。在金属和介质界面内传递时表现为不同的介电常数,分别为金属范围内传播的介电常数ε(ω)和介质范围内传播的介电常数εD。

利用麦克斯韦方程,可以对这种特殊的电磁场通过色散关系进行描述,表达式为:

式中:kpsp为在金属-介质交界面传播的PSP 波矢;k0为真空中光子传播的波矢,表达式为k0=2π/c,c为光速。

由式(1)可知,等离激元在金属-介质表面的传播与两个材料的介电常数息息相关,说明等离激元与电磁波的频率波动有关。

为了分析金属材料的等离激元机制,需要引入Drude-Lorentz 模型,对其介电常数进行分析,使其满足:

式中:γ为耦合作用情况下电子振荡时的阻尼;ωp为等离激元的共振频率,表达式为:

式中:m为金属介质中电子的有效质量;n为金属材料外部的自由电子密度。

1.2 红外调控吸收机制

对于红外辐射的调控,主要是利用材料的结构性质和结构的耦合实现电磁谐振,进而形成器件结构的红外辐射吸收效果[8]。

结构材料的电学参数,可以用复介电常数ε=ε′ -jε″和复磁导率μ=μ′ -jμ″来描述。由于复介电常数和复磁导率均存在虚部,即ε″和μ″,使得材料对入射的电磁波具有重要的损耗属性,利用这个性质,可以实现红外辐射的促吸收及调控。

材料的电磁属性可以由Maxwell 方程进行计算,即:

式中:σ表示结构材料等效电导率;E为电场强度;ε′为介电常数实部;ω为谐振频率。对式(4)进行化简,可以得到:

由介电常数的表达式,可以对式(5)进行转换,表示为:

同理,复磁导率μ可以表示为:

由上式可知,随着ε″和μ″的增大,结构材料对于电磁波的损耗也越来越大,进而对于红外辐射的吸收性能也就越好。从而可以通过调整结构材料的综合复介电常数或复磁导率,来实现吸收率的调控。当材料的ε=μ时,由于阻抗匹配的关系,甚至可以实现对应红外辐射的完美吸收[9]。

1.3 MIM 谐振腔

谐振腔结构主要是用金属或者高介电材料进行封闭,使得电场能量和磁场能量被紧密包裹其中,利用夹层中介质材料的热损耗实现吸收的促进[10]。

对于多层平面的传感器结构,通过结构的微调,能够在其内部形成若干个等效的谐振腔,这些谐振腔表现为多个离散的特征场,通过腔体结构、尺寸、形状的优化以及介电参数的改变,能够实现对特定波长的促进吸收。

在焦平面阵列的像元之中,利用半导体加工工艺,使其内部嵌入一定的金属介质结构,从而使得传感器结构形成金属/介质/金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)的设计形式,结合谐振腔的结构,有效实现红外辐射的调控和吸收[11]。

当红外辐射通过结构表面,进入到传感器内部时,由于受到耦合机制的限制,使得光子能量被限制在复合结构构成的光学谐振腔中。该结构呈现为MIM 结构,形成用于光学窄带吸收的法布里-珀罗(FP)谐振腔。

根据波长与材料厚度的关系,当其参数匹配时,即入射光线的频率与谐振腔的特征频率匹配时,在谐振腔内出现驻波效应,能够实现光能的束缚,利用结构构造多个谐振腔,可以实现对于特定波段的促进吸收,提高传感器的工作效率,并进一步利用材料损耗转换为热能,提高红外能量的吸收效率。

2 光学仿真参数

2.1 模型结构构建

利用本文理论,对红外焦平面阵列传感器的结构进行优化和改进,在结构中增加两个光栅结构,用于特征吸收光线的耦合吸收,并在结构的底部增加金属反射层,使反射层的厚度远大于光子的趋肤深度[12]。在两层金属光栅与底部反射层间,由于结构的耦合,会形成三个MIM 结构,用于促进特征红外光线的吸收。

对于红外焦平面阵列传感器,其自身的结构为氮化硅-VOx-氮化硅结构,利用VOx吸收层进行红外辐射吸收,上下两层氮化硅分别为钝化层和支撑层,主要起到保护结构稳定的作用。分别在两层氮化硅和VOx的交界面位置增加金属光栅,上层金属光栅1 为Ag 材料,下层金属光栅2 为Ti 材料。在结构的底层增加一定厚度的Ag 材料,防止红外辐射的透射,提高入射光线的二次吸收能力。

整个结构的设计为周期性结构,从而可以通过分析一个周期的结构性质,实现对整个传感器性能的了解,改进后单个红外焦平面传感器结构如图1 所示。

图1 改进后的红外传感器结构Fig.1 Improved infrared sensor structure

参考红外焦平面红外传感器的结构参数,设定优化后周期性结构的初始参数为: 结构周期为5 μm,Ag 材料金属光栅1 和Ti 材料金属光栅2 的周期与结构相同,光栅初始厚度均为100 nm,上层氮化硅为厚度200 nm 的钝化层,下层氮化硅为厚度300 nm 的支撑层,吸收层VOx材料厚度为350 nm,底部Ag 材料反射层的厚度为300 nm[13]。

由于入射光线中的S 偏振光无法在二维模型结构中生成SPP 波,本文模型主要考虑入射光为垂直器件表面入射方向,偏振光主要为P 偏振光,偏振方向平行于入射面。仿真入射红外光的波长范围为2～20 μm。

2.2 材料参数设定

对于金属材料和金属氧化物材料,其光学性质可以利用色散关系模型来进行描述,对于一般性的非磁性材料,其磁导率接近1,从而根据前文分析,通过结构材料的介电常数来分析器件的性能。

对于本文的吸收层材料VOx参数均来自于文献[14]。其他金属光栅材料Ag 和Ti,其光学色散关系的参数来自于文献[15]。

3 实验结果与数据分析

3.1 光栅参数对吸收效率的影响

3.1.1 光栅位置对红外吸收的影响

分别改变金属光栅1 和金属光栅2 的位置,讨论不同的光栅位置对红外吸收的调制作用。根据前文的分析可知,金属光栅的位置,与F-P 谐振腔的厚度有关,从而影响到整个器件的红外吸收峰。

改变Ag 金属光栅1 的位置,其对辐射吸收的影响结果如图2 所示。图中y1的位置表示与底层Ag 反射层上表面的距离,下同。

图2 吸收率与光栅1 位置的关系Fig.2 Relationship between absorbance and grating 1 position

从图2 可以看到,随着Ag 金属光栅1 位置的逐渐增大,整个结构的红外吸收峰逐渐呈现左移的趋势,且在10 μm 附近和6～8 μm 的吸收率呈现增大的趋势,对2～4 μm 的吸收率影响相对较小,4.5 μm 附近的吸收峰表现增大的趋势。

改变Ti 金属光栅2 的位置,其对红外辐射吸收的影响结果如图3 所示。

图3 吸收率与光栅2 位置的关系Fig.3 Relationship between absorbance and grating 2 position

从图3 可以看到,随着金属光栅2 位置的逐渐上移,整个结构的红外吸收峰同样呈现左移的趋势,且吸收峰的变化在8～20 μm 之间变化较为明显,吸收峰左移的同时,最右侧的吸收峰下降,在10 μm 附近吸收率上升,而其他位置的吸收峰影响较小。

3.1.2 结构周期对红外吸收的影响

改变整个结构的周期会影响到结构中光栅的分布,从而会影响到结构的红外吸收性能,具体结果如图4所示。

图4 吸收率与结构周期的关系Fig.4 Relationship between absorbance and structural period

由图4 可以看到,随着结构周期的增大,红外吸收峰呈现红移的现象,10～16 μm 之间的两个吸收峰逐渐分裂,分别向两侧移动,且周期越大,右侧的吸收峰吸收率越高。

3.1.3 光栅占空比对红外吸收的影响

光栅的占空比会影响到整个复合结构中金属材料的排布,改变Ag 金属光栅1 的占空比,其对红外吸收的影响结果如图5 所示。

图5 吸收率与光栅1 占空比的关系Fig.5 Relationship between absorbance and duty cycle of grating 1

由图5 可以看到,光栅占空比的改变会使得波长8～14 μm 之间的吸收峰左移,且在10 μm 位置附近分裂出新的吸收峰,占空比越高,右侧吸收峰下降的越多,而新的吸收峰则越高。

同理,改变光栅2 的占空比,分析其对红外吸收的影响情况,结果如图6 所示。

图6 吸收率与光栅2 占空比的关系Fig.6 Relationship between absorbance and duty cycle of grating 2

由图6 可以看到,光栅2 的占空比变化情况与光栅1 的结果类似,同样表现为右侧吸收峰的左移和新吸收峰的分裂出现。

3.1.4 光栅厚度对红外吸收的影响

改变结构中光栅1 的厚度,其对红外吸收的影响如图7 所示。

由图7 可以发现,随着光栅1 厚度的变化,整个波段范围内的吸收峰都出现了较大的变化,整体表现的趋势为吸收峰左移,且吸收峰的高度均呈现上升趋势,尤其是在3～5 μm 之间的两个吸收峰均大幅上升。

图7 吸收率与光栅1 厚度的关系Fig.7 Relationship between absorbance and thickness of grating 1

改变结构中光栅2 的厚度,其对红外吸收的影响如图8 所示。

由图8 的结果能够看到,随着光栅2 厚度的增大,整个结构的吸收峰同样出现左移,与光栅1 相比,变化比较大的地方在于,3～5 μm 之间的两个吸收峰虽有所增大,但没有光栅1 的影响效果明显。整个波段右侧的吸收峰随着左移的过程逐渐分裂成两个吸收峰,且6～10 μm 之间的吸收峰逐渐增高。

图8 吸收率与光栅2 厚度的关系Fig.8 Relationship between absorbance and thickness of grating 2

3.1.5 钝化层厚度对红外吸收的影响

由于钝化层主要起到结构保护和能量消耗的作用,氮化硅钝化层会影响到红外焦平面阵列的红外吸收效果。

改变钝化层厚度,分析其对红外吸收的影响,结果如图9 所示。

由图9 可以看到,氮化硅钝化层会影响整个结构的红外吸收效果,随着钝化层厚度的增大,整个结构的吸收呈现红移,且在6～20 μm 波长范围内,出现了两个新的吸收峰,且峰值均具有不错的吸收率。

图9 吸收率与钝化层厚度的关系Fig.9 Relationship between absorbance and thickness of passivation layer

3.2 优化结果

根据前文的研究,通过对复合结构的调整和参数优化,使得整个结构在对应的吸收范围具有最大的红外吸收率。考虑到红外焦平面阵列传感器的工作范围,需要兼顾3～5 μm 和8～14 μm 的波长范围。

分别考虑两个波段范围内的最大吸收情况,对于3～5 μm 的波长范围,优化后的结构参数分别为: 光栅1 的相对位置是0.68 μm,光栅2 的位置是1.01 μm,整个结构的周期为1 μm,两个金属光栅的占空比均为0.9,光栅1 厚度为0.01 μm,光栅2 厚度为0.015 μm,钝化层厚度为0.4 μm。

优化后的曲线及其与不含光栅结构的曲线对比情况如图10 所示。

由图10 可以发现,优化后的曲线在3～5 μm 的波长范围吸收率大幅上升,整个波长范围内的平均吸收率达到79.56%。且在该范围内出现两个吸收峰,最大的吸收峰位于4 μm 处,吸收率达到99.36%,该位置处的电场分布情况如图11 所示。

图10 波长3～5 μm 范围内的优化吸收曲线对比Fig.10 Comparison of optimized absorption curves in the range of wavelength 3-5 μm

图11 优化后模型在波长4 μm 处的电场分布Fig.11 Electric field distribution at optimized model at wavelength of 4 μm

同样,对于波长8～14 μm 范围,其优化后的结构参数为: 光栅1 的相对位置为0.63 μm,光栅2 的相对位置为0.51 μm,整个结构的周期为1 μm,光栅1的占空比为0.6,光栅2 的占空比为0.9,光栅1 厚度为0.005 μm,光栅2 厚度为0.015 μm,钝化层厚度为0.3 μm。

优化后的曲线及其对比情况如图12 所示。

由图12 可以发现,对于优化后的曲线在8～14 μm范围,吸收率同样大幅上升,整个波段范围内的平均吸收率达到75.30%。吸收率最高的位置为波长9.6 μm 处,吸收率为91.96%,其对应的电场分布图如图13 所示。

图12 波长8～14 μm 范围内的优化吸收曲线对比Fig.12 Comparison of optimized absorption curves in the range of wavelength 8-14 μm

图13 优化后模型在波长9.6 μm 处的电场分布Fig.13 Electric field distribution at optimized model at wavelength of 9.6 μm

4 结论

本文研究了基于表面等离激元技术的红外辐射调控方法,通过对红外焦平面阵列芯片单元的结构中添加Ag 材料光栅和Ti 材料光栅结构,并在底面添加Ag材料反射层,利用金属材料和介质材料的复介电常数,通过结构耦合和光学谐振腔的调整,提高整个结构材料的红外辐射促吸收作用。分析不同光栅参数对结构吸收的率影响,利用材料参数优化,实现3～5 μm 和8～14 μm 波长范围内吸收率的大幅提高,优化后结构的最大吸收率达到99.36%,3～5 μm 波长范围内的平均吸收率达到79.56%,8～14 μm 波长范围内的平均吸收率达到75.30%。优化后的结构具有良好的红外调制作用,可以促进红外传感器件的特定波长吸收效率,使得器件在中远红外方面的效果更好,具有重要的应用价值,可以有效应用于红外隐身、红外测辐射等军事和民用领域。