2. 南卡罗来纳大学 电气工程系, 哥伦比亚, 美国 SC29208
利用65 nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺, 设计了一种新的单芯片超材料结构太赫兹吸波器, 面积约为0.60 mm×0.65 mm, 包含75个吸波单元.吸波单元图案采用CMOS工艺中顶层铜金属, 厚度为3.2 μm, 设计为正八边形和正方形开口谐振环的组合结构; 介质层由无掺杂硅玻璃、碳化硅、氮化硅等组成, 厚度为9.02 μm; 介质层背面短线采用CMOS工艺中的第一层金属, 厚度为0.2 μm.仿真结果表明, 该吸波器在0.921 THz、1.181 THz两个频率处达到最大吸收率, 分别为97.84%和95.76%.克服了采用砷化镓、薄膜工艺实现的太赫兹吸波器与CMOS工艺兼容问题, 有利于在大规模集成电路中实现.
2. Department of Electrical Engineering, University of South Carolina, Columbia SC29208, USA
A single-chip metamaterial absorber in terahertz band is proposed, which is based on 65 nm complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) process. The chip area is approximately 0.60 mm by 0.65 mm and totally contains 75 absorbing cells. The periodic cell of the absorber is made of octagon-splitand square-split ring resonators, which are designed by employing a 3.2 μm copper on the top layer in the CMOS technology. The dielectric spacer consists of un-doped silicate glass, silicon carbide and silicon nitride with the total thickness of 9.02 μm. On the back of dielectric is made up a short copper line with the thickness of 0.2 μm. It has been found that the maximum absorptivity, based on HFSS simulations, has achieved 97.84% at 0.921 THz and 95.76% at 1.181 THz, respectively. In comparison with other terahertz absorbers fabricated by using gallium arsenide or film technology, this proposed absorber overcomes the compatibility issues appeared in CMOS process. In addition, it is found that this structure can be easily implemented in large scale integrated circuits.
基于超材料结构的吸波器由Landy[1]于2008年首先提出，引起学者们的极大兴趣和研究热情，近年来得到快速发展.目前，超材料吸波器从工作频率的角度大致可分为声学频域[2]、微波频域[3]、太赫兹频域[4-5]、红外及光频域[6]等.
已报道的太赫兹吸波器，大多基于砷化镓或柔性衬底工艺[4-5].莫漫漫等[7]采用硅衬底，仿真设计了一种宽频吸波器，介质层只包含二氧化硅，金属层为金，不能和现行商用互补金属氧化物半导体(CMOS, complementary metal-oxide semiconductor)工艺兼容，影响了吸波器在集成电路中的实现.笔者提出一种新的基于65 nm CMOS工艺的超材料太赫兹吸波器，采用正八边形和正方形2种开口谐振环组合结构，实现双频吸波.
1 结构设计所提出的单芯片太赫兹双频吸波器的整体结构如图 1所示. 图 1(a)为三维视图及侧截面分层结构，芯片面积约为0.60 mm×0.65 mm；图 1(b)为超材料结构中的周期性双开口谐振环面和对应短线平面.在侧截面分层结构中，钝化层厚度为1.9 μm；绝缘介质层由无掺杂硅玻璃、碳化硅、氮化硅等组成，厚度为9.02 μm；层间介质厚度为0.45 μm；硅衬底厚度为240 μm.开口谐振环采用顶层金属设计，厚度为3.2 μm；短线采用第一层金属，厚度为0.2 μm.
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图 1 单芯片超材料吸波器结构 |
超材料太赫兹双频吸波器的吸波单元结构如图 2所示. 图 2(a)为单元的外形结构；图 2 (b)为单元正面对应2个谐振频率的正八边形和正方形开口谐振环；图 2(c)为单元背面的短线.吸波单元的尺寸与谐振频率有关，谐振频率为
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图 2 超材料双频吸波器单元结构 |
根据文献[8]，图 3给出了正八边形开口谐振环、背面导线以及介质形成的传输线模型等效电路.
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图 3 吸波器传输线模型等效电路 |
图 3中的Zi和Zo分别为横向电磁波从正面垂直入射时自由空间和硅衬底的固有阻抗.在等效电路中，TL代表 2层金属之间介质所形成的传输线；R1、L1、C1和R2、L2、C2分别模拟正面正八边形开口谐振环的LC共振和偶极子共振，M代表 2种共振的耦合效应；R3、L3、C3模拟背面导线的LC共振.由于正面开口谐振环的LC共振和偶极子共振以及背面导线的LC共振实现了对入射电磁波的吸波，吸收的电磁波能量通过R1、R2和R3进行消耗[8].为了优化谐振环中的R1和L1，设计了正八边形谐振环结构，并在正八边形和正方形谐振环中的短导线上都新增加了一个宽度为w5=12 μm的正方形金属面，2个谐振环的间距g3=7 μm，2种不同谐振环结构和尺寸对应2个共振吸波频率.
采用高频结构模拟器对吸波单元进行全波仿真，激励设置为1 GHz~1.25 THz电磁波扫频输入，可得到吸波单元的S参数.根据反射率R(ω)=|S11|2、透射率T(ω)=|S21|2、吸收率A(ω)=1－R(ω)－T(ω)定义[6]，计算得到如图 4所示的吸波单元的反射率、透射率和吸收率.
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图 4 双频吸波器反射率、透射率和吸收率 |
由图 4可以看出，透射率在整个频段内几乎为0，吸收率在0.921 THz、1.181 THz 2个频率处达到最大值，分别为97.84%和95.76%.如图 5所示为2个开口谐振环分别在2个谐振频率处的金属表面电流分布，可以看出，当发生吸波谐振时，谐振环表面电流主要分布于环中短导线上.
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图 5 谐振环在谐振频率处的表面电流分布 |
为了对比双谐振器与单谐振器的吸波效果，图 6中分别给出了2个单谐振器的电磁波吸收率. 图 6(a)显示正八边形谐振器，在0.921 THz频率处，吸收率达到最大为88.27%；图 6(b)显示正方形谐振器，在1.181 THz频率处，吸收率达到最大为76.51%.
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图 6 单谐振器吸收率 |
通过对比可以看出，双频吸波器不是2个单频吸波器性能的简单叠加，组合后的吸波器比各单频吸波器的吸波性能有很大提高，原因在于组合后的超材料结构，改善了波阻抗.如图 7所示为根据S参数反演法[3]计算得到的3种超材料吸波器的归一化波阻抗. 图 7(a)、图 7(b)和图 7(c)分别显示的是单正方形谐振环、单正八边形谐振环以及双谐振环吸波器的归一化波阻抗.可以看出，单正方形谐振环吸波器的归一化波阻抗在谐振频率1.181 THz处为0.71+i1.25；单正八边形谐振环吸波器的归一化波阻抗在谐振频率0.921 THz处为0.75+i0.70；双谐振环吸波器的归一化波阻抗在谐振频率0.921 THz处为1.1+i0.0，在1.181 THz处为1.35-i0.01.可以看出，双谐振环吸波器在谐振频率处的归一化波阻抗虚部基本为0，实部最接近1，更好地满足了归一化波阻抗等于1的条件，与自由空间匹配更接近完美，吸波效果更好.
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图 7 3种吸波结构的归一化波阻抗 |
采用65 nm CMOS工艺，设计了一种单芯片超材料太赫兹双频吸波器.双频吸波机理来源于对应2种不同尺寸、不同形状的开口谐振环.组合结构的双频吸波器比各单谐振环吸波器的吸波性能有很大提高.利用S参数反演法计算了3种吸波器的归一化波阻抗.结果表明，双频吸波器在谐振频率处的归一化波阻抗近似等于1，与自由空间匹配更接近完美，谐振吸波效果更好.
| [1] | Landy N I, Sajuyigbe S, Mock J J, et al. Perfectmetamaterial absorber[J].Physical Review Letters, 2008, 100: 207402. doi: 10.1103/PhysRevLett.100.207402 |
| [2] | 孙宏伟, 林国昌, 杜星文, 等. 一种新型声学超材料平板对机械波吸收性能的模拟与实验研究[J]. 物理学报, 2012, 61(15): 154302. doi: 10.7498/aps.61.154302 |
| [3] | Ye Dexin, Wang Zhiyu, Xu Kuiwen, et al. Ultrawideband dispersion control of a metamaterial surface for perfectly-matched-layer-likeabsorption[J].Physical Review Letters, 2013, 111: 187402. doi: 10.1103/PhysRevLett.111.187402 |
| [4] | Huang L, Chowdhury D R, Ramani S, et al. Experimental demonstration of terahertz metamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band[J].Optics Letters, 2012, 37(2): 154–156. doi: 10.1364/OL.37.000154 |
| [5] | Han N R, Chen Z C, Lim C S, et al. Broadband multi-layer terahertz metamaterials fabrication and characterization on flexible substrates[J].Optics Express, 2011, 19(8): 6990–6998. doi: 10.1364/OE.19.006990 |
| [6] | Liu B, Shen S. Broadband near-field radiative thermal emitter/absorber based on hyperbolic metamaterials: direct numerical simulation by the wiener chaos expansion method[J].Physical Review B, 2013, 87: 241103. doi: 10.1103/PhysRevB.87.241103 |
| [7] | 莫漫漫, 文岐业, 陈智, 等. 基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器[J]. 物理学报, 2013, 62(23): 237801. doi: 10.7498/aps.62.237801 |
| [8] | Wen Qiye, Zhang Huaiwu, Xie Yunsong, et al. Dual band terahertz metamaterial absorber: design, fabrication, and characterization[J].Applied Physics Letters, 2009, 95: 241111. doi: 10.1063/1.3276072 |