提高紅外微測輻射熱計光譜吸收率的金屬光柵結構研究

張宇峰，王 洋，吳元慶，戴景民

1. 渤海大學新能源學院，遼寧 錦州 121013 2. 哈爾濱工業(yè)大學儀器科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

20世紀70年代以來，非制冷型紅外微測輻射熱計無需復雜且昂貴的制冷系統(tǒng)，可大幅降低器件成本和體積，具有功耗低、 結構簡單、 靈敏便捷等優(yōu)點，已經(jīng)在民用、 商用及軍事紅外探測領域得到廣泛應用[1]。特別是以氧化釩為敏感材料的微測輻射熱計發(fā)展更加迅速[2]。對于多層膜結構的氧化釩微測輻射熱計，其結構設計，材料構成、 層厚度等參數(shù)都嚴重影響其對紅外輻射的吸收效率[3]。

當外界光線照射到金屬表面，光子能量被金屬中自由振蕩的電子所俘獲，形成一種光子與電子相互作用的共振激發(fā)態(tài)，被稱為表面等離激元(surface plasmon polariton, SPP)[4]。SPP可以改變器件的局部電場，能量被限制在一個很小的區(qū)域內。眾多學者對SPP產(chǎn)生的電磁場增強特性表現(xiàn)出濃厚興趣[5-7]，紛紛設計出不同相狀的金屬納米結構[8]，以及陣列的納米孔[9-10]、 條紋[11]、 微圓盤[12]、 靶心[13]等結構，并分析研究使之與入射波長相匹配，力求提高多種探測器件的光譜吸收能力。

設計一種激發(fā)表面等離激元效應的金屬光柵結構，通過改變光柵的結構參數(shù)，對等離子體共振波長進行調節(jié)，提高紅外微測輻射計工作波段內的光譜吸收效率，揭示中心吸收波長的調控規(guī)律。

1 機理與建模

紅外測輻射熱計的主體為多層復合結構，如圖1所示。入射輻射進入到鈍化層中的光柵結構，產(chǎn)生表面等離子體諧振效應，光波會在氮化硅表面?zhèn)鞑ィ罱K被微測輻射熱計吸收。器件底部的鍍金層將透射到底部的紅外輻射反射至微測輻射熱計內部，促進二次吸收。

圖1 微測輻射熱計的光柵結構示意圖Fig.1 Structural schematic of the grating in microbolometer

對于金屬半導體的等離激元現(xiàn)象可用色散模型解釋[14]，其色散關系可表示為

(1)

其中，ε∞為高頻介電常數(shù)，ωn為等離子體共振頻率，ωc為衰減率，sm為振蕩強度，ωm為諧振頻率，Ψm為線寬，m為Lorentz 項的階數(shù)。

金屬材料采用金，其材料屬性來自文獻[15]；VO2的光學參數(shù)由文獻[19]給出，其中ε∞=3.95 eV，ωn=3.33 eV，ωc=0.66 eV，建模所用的Lorentz項參數(shù)見表1。

表1 Lorentz項參數(shù)Table 1 Parameter of Lorentz

2 結果與討論

考慮大氣窗口和氧化釩紅外微測輻射熱計的常用工作波段，利用有限差分法對8～14 μm紅外光譜吸收率進行計算，模擬光柵結構變化對其吸收效率的影響，研究光柵周期、 占空比、 光柵高度、 光柵位置等參數(shù)對光譜吸收率的調控規(guī)律。

2.1 光柵周期

如圖2(a)所示，隨著光柵周期由2 μm逐漸增加到5 μm，吸收峰的峰值波長發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象，且吸收峰的高度也發(fā)生了較明顯的變化，整體呈下降趨勢，但周期為3 μm時的吸收峰略高于周期為2 μm的情況。

如圖2(b)所示，當光柵周期由2 μm增加至3 μm時，吸收率最大值從0.95升高至0.98，隨著周期的繼續(xù)增加，最大值則開始逐漸降低到0.88左右。而吸收率的峰值波長隨著周期的增加而呈現(xiàn)線性的增加趨勢。

圖2 (a)光柵周期對光譜吸收率的影響；(b)光柵周期對吸收峰的影響Fig.2 (a) Effect of the grating period on the spectral absorbance；(b) Effect of the grating period on the absorbance peak

2.2 光柵占空比

光柵占空比對于紅外吸收的影響如圖3(a)所示，從中可以看出，占空比對于紅外吸收的作用與周期的效果相反。隨著光柵占空比從0.2逐漸增加到0.5，紅外吸收峰逐漸向短波長移動，吸收峰的高度也逐漸增高，但是寬度也略微變窄。

圖3 (a)光柵占空比對光譜吸收率的影響；(b)光柵占空比對吸收峰的影響Fig.3 (a) Effect of the grating duty cycle on the spectral absorbance；(b) Effect of the grating duty cycle on the absorbance peak

如圖3(b)所示，隨著占空比的增加，吸收峰的波長呈現(xiàn)線性減小，由13 μm藍移至11.2 μm左右。吸收峰的峰值則由0.82逐漸提高至0.94左右。分析原因可知，對于金屬光柵來說，占空比大意味著金屬表面積大，光柵縫隙變窄，因此對應的吸收峰波長也會變化，使得波長與等離激元相匹配。金屬面積增大，與半導體的接觸也會增大，因此等離激元促進吸收作用增強，峰值提高。

2.3 光柵高度

光柵高度對于紅外吸收的影響如圖4(a)所示，隨著光柵高度的下降，其紅外吸收峰紅移，且寬度越來越大，證明光柵高度對器件的吸收效率影響明顯。

圖4 (a)光柵高度對光譜吸收率的影響； (b)光柵高度對吸收峰的影響Fig.4 (a) Effect of the grating height on the spectral absorbance；(b) Effect of the grating height on the absorbance peak

如圖4(b)所示，隨著光柵厚度的增加，對吸收峰的峰值影響不是很大，特別當厚度增加到一定程度高，峰值基本保持不變。峰值波長隨厚度增加出現(xiàn)不同程度的減小，當厚度不足100 nm時，峰值波長的變化程度較大，隨著厚度的繼續(xù)增加，峰值波長下降趨勢變緩，基本維持在10.6 μm附近。

2.4 光柵結構參數(shù)的優(yōu)化

綜合分析光柵各參數(shù)對紅外光譜吸收率的影響規(guī)律，得到優(yōu)化后的紅外微測輻射熱計光柵參數(shù)：光柵周期0.5 μm，金材料高度20 nm，光柵占空比0.4，位置位于鈍化層底部，與氧化釩層相接。如圖5所示，結構優(yōu)化后的吸收峰寬度有所增加，波段內的平均吸收率高達61.6%，起到了促進紅外吸收的作用。

圖5 有無光柵結構的光譜吸收率Fig.5 Spectral absorbance with and without grating

3 結 論

高性能的紅外輻射微測熱計對于航天、 航空及軍事領域均有著重大的意義，光譜吸收率是影響其性能的關鍵參數(shù)。本文基于表面等離激元效應，通過理論建模和仿真計算，證明了金屬光柵結構可以促進微測輻射熱計對紅外輻射的吸收作用，有效提高特定光譜內的紅外吸收率。研究了光柵周期、 占空比、 高度以及位置對光譜吸收率的影響規(guī)律，通過對光柵結構參數(shù)的進一步優(yōu)化，大幅提高氧化釩紅外微測輻射熱計的紅外光譜吸收率，8～14 μm的平均吸收率達61.6%，峰值吸收率在99%以上。金屬光柵的光譜吸收率促吸收結構研究，對高性能紅外微測輻射熱計的設計具有重要的指導意義。