張明 張俊垚 張娜嬌 董朋 王保柱 尚燕 段磊

摘 要：為了解決傳統(tǒng)太赫茲（THz）探測器吸收效率低，頻率范圍小的問題，提出將雙層超表面吸收陣列結(jié)構(gòu)與鉭酸鋰熱釋電探測器相貼合，構(gòu)成寬帶太赫茲超表面熱釋電探測器。采用MATLAB和CST聯(lián)合仿真的優(yōu)化方法對超表面結(jié)構(gòu)進行按需優(yōu)化；使用ANSYS對熱釋電探測器進行仿真分析，得到敏感層、絕熱層等特征參數(shù)對太赫茲熱釋電探測器的溫度變化率以及響應電流的影響。結(jié)果表明，采用超表面陣列結(jié)構(gòu)提高了全THz波段的探測性能，凳型熱釋電探測器在給定條件下的平均熱釋電電流輸出為31.52 pA。使用超表面作為吸收結(jié)構(gòu)可以使熱釋電探測器具有連續(xù)且高效的吸波特性，為寬帶太赫茲探測器的設計提供參考。

關(guān)鍵詞：半導體物理學；熱釋電探測器；超表面；太赫茲；聯(lián)合仿真；遺傳算法

中圖分類號：O441.4 文獻標識碼：A? ?文章編號：1008-1542（2024）02-0141-09

Design of wideband terahertz pyroelectric detectorbased on metasurface

ZHANG Ming1， ZHANG Junyao1， ZHANG Najiao1，DONG Peng1，

WANG Baozhu1， SHANG Yan1， DUAN Lei2

（1.School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China;2.Hebei Bowei Integrated Circuits Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050200， China）

Abstract：In order to solve the problems of low absorption efficiency and small frequency range of traditional terahertz （THz） detectors， a broadband terahertz metasurface pyroelectric detector was proposed by combining a dual metasurface absorption array structure with the LiTaO3 pyroelectric detector. The optimization method of MATLAB and CST co-simulation was used to optimize the metasurface structure on demand. ANSYS was used to simulate and analyze the pyroelectric detector， and the influence of characteristic parameters such as sensitive layer and adiabatic layer on the temperature change rate and response current of terahertz pyroelectric detector was obtained. The results show that the use of metasurface array structure improves the detection performance of the whole THz band， and the average pyroelectric current output of the stool-type pyroelectric detector under given conditions is 31.52 pA. The use of metasurface as an absorption structure can make the pyroelectric detector have continuous and efficient wave absorption characteristics， which provides some reference for the design of broadband terahertz detectors.

Keywords：semiconductor physics；pyroelectric detector；metasurface；terahertz（THz）；co-simulation；genetic algorithm

太赫茲（THz）波具有頻帶范圍大、穿透能力強以及抗干擾能力高等優(yōu)異的電磁特性，在醫(yī)學成像、生物傳感、安全檢查和下一代通信等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[1-5]。在太赫茲檢測和通信系統(tǒng)中，太赫茲探測器主要用于信息和圖像的獲取，是最重要的部件之一。在實際應用中，探測器的工作頻段需要覆蓋常用太赫茲源的頻率范圍，應當具有連續(xù)寬帶的吸收特性。此外，現(xiàn)有的太赫茲源功率較低，在低溫環(huán)境下也僅有毫瓦量級[6]，探測器需要具有較高的吸收效率，實現(xiàn)微弱信號的檢測。THz探測器實現(xiàn)信號的獲取分為2個階段：一是高效吸收THz波，二是將光信號轉(zhuǎn)化成可檢測輸出的電信號。

對于吸波結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)探測器的吸收材料包括碳系材料[7]和超薄金屬[8]。這兩種材料雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對太赫茲波的吸收，但吸收效率和帶寬有限，難以檢測連續(xù)微弱的太赫茲源信號。區(qū)別于碳系材料和超薄金屬，超表面作為超材料的一種二維形式可以獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。LANDY等[9]首次設計了超表面電磁吸收器，利用阻抗匹配實現(xiàn)了高效的電磁吸收。SONG等[10]利用二氧化釩超表面實現(xiàn)了0.52～1.04 THz的寬帶吸收和偏振轉(zhuǎn)換。上述超表面器件一般采用有限元建模的方法來設計[11]，其耗時且難以獲得最優(yōu)的按需性能。研究表明，超表面波（M波）的電磁場分布和頻散可以用懸鏈線模型很好地描述[12]，這為表征超表面的電磁特性提供了一個近乎精確的數(shù)學模型。基于該模型，提出一種簡單但功能強大的解析設計方法，簡化了基于超表面寬帶器件的設計[13-14]。雖然懸鏈線場理論應用于設計超表面器件已經(jīng)得到了實驗驗證，但是在寬帶頻率范圍內(nèi)表征超表面電磁特性的理論模型并不十分準確[15]。

而在THz波信號轉(zhuǎn)化方面，研究者通過吸收結(jié)構(gòu)吸收THz波后實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。MITROFANOV等[16]利用GaAs納米光柵陣列結(jié)合布拉格反射鏡設計了全介質(zhì)超表面，并將其集成到光電探測器中實現(xiàn)了高效率且高靈敏度的太赫茲探測。黃文超等[17]研究了一種在室溫下快速響應基于二維碲烯工作的太赫茲光電探測器，實驗驗證了器件能夠在毫米波和太赫茲波段工作并且有優(yōu)異的性能。王楊濤等[18]提出了新的基于圓環(huán)孔陣列超材料的鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測器，在0.315 THz 頻點處的等效噪聲功率為4.64 μW/Hz，實現(xiàn)了太赫茲波探測。目前太赫茲探測器的研究頻率范圍多集中于低頻并且探測范圍較小，針對寬帶且連續(xù)太赫茲源信號探測的相關(guān)研究較少。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文提出將雙層吸收器陣列結(jié)構(gòu)與鉭酸鋰熱釋電探測器相貼合，構(gòu)成寬帶太赫茲超表面熱釋電探測器。使用MATLAB和CST聯(lián)合仿真對超表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，仿真過程使用3D模型，與理論模型相比可以在最大程度上保證結(jié)果的準確性。采用超表面陣列結(jié)構(gòu)可以使熱釋電探測器具有連續(xù)且高效的吸波特性，同時提高全THz波段的探測性能。仿真分析了敏感層、絕熱層等特征參數(shù)與太赫茲熱釋電探測器溫度變化率以及響應電流的關(guān)系，以期為設計寬帶太赫茲探測器提供參考。

1 熱釋電探測器工作原理

熱釋電探測器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、室溫可工作和探測頻帶寬的特點[19]，可以很好地用于被動成像等領(lǐng)域[20]。熱釋電探測器主要由吸收層、上電極、敏感層、下電極和襯底組成。探測器通常使用永久極化的鐵電晶體材料作為敏感元。鉭酸鋰（LiTaO3）晶體具有較大的熱釋電系數(shù)，居里點高，相對介電常數(shù)小，探測率優(yōu)值大，制造成本低，材料性能穩(wěn)定。由鉭酸鋰制備的器件能在室溫條件下工作，是一種較為理想的熱釋電材料，因此廣泛用于制作熱釋電探測器[21-25]。熱釋電探測器的探測機理（如圖1所示）是：當一定調(diào)制頻率的熱輻射入射在探測器吸收層上時，吸收層吸收太赫茲波并轉(zhuǎn)化為熱能，該熱能經(jīng)由上電極傳導至敏感層，使它的熱學和電學特性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生熱釋電效應。通過引線外接放大電路，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，以實現(xiàn)電學量的讀出。

2 太赫茲探測器設計

2.1 超表面吸收結(jié)構(gòu)設計

2.1.1 聯(lián)合仿真設計方法

聯(lián)合仿真的主要原理是使用 MATLAB 豐富的庫函數(shù)控制 CST 繪制模型和處理數(shù)據(jù)。具體流程如下：首先，通過GDS構(gòu)建初代參數(shù)的結(jié)構(gòu)模型，然后導入到CST進行仿真，得到初始的S參數(shù)。將CST中的S參數(shù)數(shù)據(jù)導入到MATLAB中，利用遺傳算法對模型參數(shù)進行優(yōu)化。新一代的結(jié)構(gòu)參數(shù)在遺傳算法優(yōu)化后生成，并且在 CST 中構(gòu)建新的模型并繼續(xù)仿真。優(yōu)化仿真在整個過程是自動進行的，相當于一個周期，直到完成迭代次數(shù)。聯(lián)合仿真的流程圖如圖2所示。

2.1.2 雙超表面吸收器

超表面是人工設計的周期性結(jié)構(gòu)，可以通過改變模型形狀和結(jié)構(gòu)尺寸來調(diào)控其在太赫茲波段的吸收率。將超表面結(jié)構(gòu)引入熱釋電探測器，利用超表面調(diào)控探測器對太赫茲波的吸收，以此來提升太赫茲探測器的性能。為實現(xiàn)在太赫茲波段的高吸收，設計了雙層超表面結(jié)構(gòu)，如圖3所示。吸收結(jié)構(gòu)由不同厚度的SU-8光刻膠與金屬鉻的雙層超表面組成。襯底的厚度d=1 μm，介質(zhì)層的厚度分別為h1=25 μm，h2=25 μm，h3=18 μm。

初始模型結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)是依據(jù)式（1）所示的參數(shù)范圍生成的，

P∈［100，110］，L1∈［50，55］，L2∈［35，45］，W1∈［1，6］，W2∈［3，8］，W3∈［2，9］，R1∈［2，8］，R2∈［9，14］，R3∈［15，18］，G∈［1，5］，（1）

count：i≥1 & i≤1 001 & tranA（i）≥0.9;count=count+1，value=count10。（2）

使用 GDS 構(gòu)建模型并導入到 CST 進行仿真。將得到的S參數(shù)導入到MATLAB中，使用式（2）所示的適應度函數(shù)進行分析。將0.1～10 THz頻率范圍平均分為1 001個點，使用加權(quán)方法計算適應度值。將該頻率范圍內(nèi)吸收率超過90%的頻率點記錄為良好，頻率點數(shù)記錄為count，最終適應度值是1 001個頻率點的加權(quán)求和。所以，更高的適應度值意味著有更好的效率。之后，遺傳算法將經(jīng)歷選擇、交叉和變異的步驟。程序根據(jù)適應度函數(shù)是否滿足設計要求來確定輸出最優(yōu)值或生成下一代種群，然后繼續(xù)運行程序進行仿真，直到滿足判斷條件。

經(jīng)過聯(lián)合仿真的優(yōu)化，得到了超表面單元結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。超寬帶太赫茲吸收器在0.1～10 THz頻率范圍內(nèi)的吸收光譜如圖4 a）所示。

它可以有效吸收0.1～10 THz的入射太赫茲波，平均吸收率高于90%。遺傳算法的參數(shù)設置如下：種群大小為每代40個，交叉概率設置為 0.7，突變率設置為0.005，停止條件設置為60代截斷。適應度值的變化記錄在圖4 b）中，經(jīng)過31代的迭代，最終平均適應度值與最大適應度值相等并保持穩(wěn)定，充分驗證了結(jié)果的魯棒性。

2.2 探測器結(jié)構(gòu)設計

將超表面吸收陣列結(jié)構(gòu)與熱釋電探測器貼合構(gòu)成超表面熱釋電探測器，如圖5 a）所示。吸收結(jié)構(gòu)和探測器結(jié)構(gòu)的邊長分別為P1=963 μm，P2=1 mm。結(jié)構(gòu)從上到下依次為超表面吸收結(jié)構(gòu)、鉭酸鋰敏感層、鉑下電極、多孔氧化硅絕熱層和硅基底。其中，雙超表面吸收結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)太赫茲波的超寬帶吸收，進而形成寬帶探測器。吸收層吸收率和襯底的導熱效率是影響熱釋電探測器探測帶寬與靈敏度的重要因素。因此，吸收層需要表現(xiàn)出卓越的吸收性能。其次，需要降低探測器的熱損耗，探測器的熱損耗主要是經(jīng)過硅襯底的熱傳導損耗。薄膜熱釋電探測器通常制作在硅襯底上，由于硅襯底熱導率高導致大量的熱散失，會產(chǎn)生嚴重的溫度噪聲，降低探測器的靈敏度。為了減小硅襯底的熱傳導損耗，本文采取了2種策略：一是在襯底上沉積多孔二氧化硅作為絕熱層，另一種方法是減少襯底與敏感層的接觸面積?；谶@些考慮，將襯底和絕熱層設計成內(nèi)邊長l=500 μm的空心管狀結(jié)構(gòu)，如圖5 b）所示，從而減少了它們之間的接觸面積。

3 熱釋電探測器的熱學仿真分析

3.1 邊界條件

薄膜探測器的橫向尺寸遠大于各層膜的厚度，可以忽略它的橫向散熱，因此對太赫茲探測器進行一維的瞬態(tài)熱仿真分析。在對熱釋電探測器結(jié)構(gòu)進行仿真時，采用黑體輻射源作為太赫茲源。根據(jù)黑體輻射普朗克公式，計算出所加載的熱流密度值：

M=∫λ1λ22πhcλ5·1ehcλkT-1，（3）

式中：h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34 J·s；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23 J/K；c為光速，c=3×10

8 m/s。由式（3）可得，當T=500 K時，黑體輻射在0.1～10 THz波段的功率密度為110.084 9 pW/μm2。近似地認為黑體輻射源平行輻射到探測器，探測器吸收的輻射功率密度為F=M·α，（4）

式中α為探測器的輻射吸收率。根據(jù)吸收率結(jié)果，得到探測器吸收的輻射為100.177 2 pW/μm2。因此，在仿真時為了模擬太赫茲輻射，對模型加載一個周期2 s的熱流密度為100 pW/μm2的穩(wěn)恒熱流來代替太赫茲輻射，作為第二類邊界條件，并將襯底底面的背景溫度設置為22 ℃作為第一類邊界條件。定義材料的厚度以及熱學參數(shù)如表2所示。

3.2 太赫茲熱釋電探測器熱仿真分析

使用有限元軟件 ANSYS19.2對探測器進行瞬態(tài)熱分析[26]，施加周期的熱流脈沖后探測器各結(jié)構(gòu)溫度變化如圖6所示。其中紅色表示高溫，藍色表示低溫。從圖6 a）可以看出，探測器單元的中心溫度最高，最高溫升為0.08 ℃。邊緣襯底溫度最低，探測器溫度場從頂端中心向四周以及底部呈梯度減小。圖6 b）為熱釋電層的溫升云圖，單元中心溫度最高，邊緣溫度最低。

圖6 c）為絕熱層的指向路徑1到2的溫度變化。由圖6 d）可以看出冷卻后探測器整體溫度降低至22.00 ℃。

圖7為熱釋電層和絕熱層的溫度變化曲線。從圖7 a）可以看出在一個周期內(nèi)，探測單元接收輻射后溫度開始上升，隨著時間的推移與環(huán)境逐漸趨于熱平衡狀態(tài)。當輻射為0時，探測單元的溫度逐漸降低到室溫。熱釋電層最高溫度為20.05 ℃，當停止施加熱流脈沖后，溫度逐漸降低到22.00 ℃。定義熱釋電探測器的熱時間常數(shù)為溫升到最大峰值（1-1/e）時所需時間，從圖7 a）的紅色曲線可知敏感元的熱時間常數(shù)為0.1 s。藍色曲線為熱釋電層的溫度變化率曲線，接收輻射初始時刻溫度上升最快，溫度變化率最大。隨著溫度的上升，傳熱方式由非穩(wěn)態(tài)傳熱變?yōu)榉€(wěn)態(tài)傳熱，溫度變化率逐漸變小，到熱平衡狀態(tài)時溫度變化率趨于0。圖7 b）為絕熱層的溫度變化率曲線。絕熱層最高溫度為22.05 ℃，最低溫度為22.00 ℃，有明顯的溫度梯度變化，最低溫度為室溫，阻止了溫度向襯底的傳遞，起到了隔熱的作用。絕熱層與硅襯底接觸的部分溫度已經(jīng)接近襯底溫度22.00 ℃，說明硅襯底的熱傳導損耗是主要的熱傳導損耗，越靠近硅襯底，溫度升高幅度越小。

為了確定熱釋電層厚度對響應速率dT/dt的影響，將絕熱層厚度設置為30 μm，分別對熱釋電層厚度為 1，10，30和50 μm的模型進行瞬態(tài)熱分析，將其結(jié)果進行對比。如圖8 a）所示，當熱釋電層厚度為1 μm時，探測單元的溫升最大，最高溫度為22.088 ℃。探測單元的溫升隨著厚度增加而減小。溫度變化率如圖8 b）所示，dT/dt在最初的時間段內(nèi)迅速增大。隨著時間的增加，dT/dt 逐漸減小，0.5 s 以后傳熱方式由非穩(wěn)態(tài)傳熱變?yōu)榉€(wěn)態(tài)傳熱，dT/dt慢慢趨于0。由分析結(jié)果可以看出，熱釋電層越薄，溫升越高，溫度變化率越大，也即電流響應率越大。所以，為了提高器件的探測率，需要利用超薄的鉭酸鋰薄膜作為熱釋電探測器的敏感層。

為了探究絕熱層厚度對響應速率dT/dt的影響，將熱釋電層厚度設置為1 μm，分別對絕熱層厚度為0，10，30和50 μm的模型進行熱分析，結(jié)果對比如圖9所示。從圖9 a）可以看出：當絕熱層厚度為50 μm時，探測單元的溫升最大，最高溫度為22.12 ℃；當絕熱層厚度為0 μm，探測單元的最高溫度為22.026 ℃。這表明絕熱層可以有效阻止襯底的熱損耗，探測單元的溫升隨著絕熱層厚度的增加而增大。從圖9 b）可以看出：絕熱層越厚，溫度變化率越高；dT/dt越大，表明電流響應越大，探測器的靈敏性越高。所以，可以采用較厚的絕熱層來阻止熱量的流失，從而提高器件的探測率。

器件的熱損耗主要是經(jīng)過襯底的熱傳導損耗。從結(jié)構(gòu)熱學性能角度來說，降低襯底的熱傳導導致的損耗，就需要減少襯底與敏感層的接觸面積。因此，將空心管狀襯底結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將管狀襯底設計為凳型結(jié)構(gòu)，如圖10 a）所示?；谏鲜龅姆治鼋Y(jié)果，將鉭酸鋰熱釋電層的厚度設置為1 μm，多孔二氧化硅絕熱層的厚度設置為50 μm。襯底為4個相同的矩形柱，邊長a=300 μm，厚度設置為200 μm。對模型加載周期4 s的熱流密度為100 pW/μm2的穩(wěn)恒熱流。將襯底底面的背景溫度設置為22.00 ℃，對探測器進行瞬態(tài)熱分析。凳型探測器的網(wǎng)格模型以及溫升云圖如圖10 b）、圖10 c）所示。

圖11示出了凳型探測器的溫度變化曲線。從圖11 a）可知：探測單元從0.01 s開始升溫，在1.5 s時達到熱平衡態(tài)；熱釋電層的最高溫度為22.25 ℃，熱時間常數(shù)為0.29 s；探測單元整體從 t1=0.01 s開始升溫，在t2=1.5 s時達到熱平衡態(tài)，達到熱平衡所用時間為1.49 s。圖11 b）為熱釋電層溫度變化率曲線：初始時刻溫度變化率最大；隨著溫度的上升，溫度變化率逐漸減小并趨于0。因為熱釋電探測器工作在非平衡態(tài)會產(chǎn)生熱釋電電流，所以為了使熱釋電探測器輸出連續(xù)的電信號，需要控制熱流脈沖的脈沖持續(xù)時間。一般情況下脈沖持續(xù)時間需要介于熱時間常數(shù)和熱平衡時間之間，這樣就可以保證在溫升-溫降過程形成連續(xù)的交流電輸出。

IS=pAdTdt，（5）

式中：A為接觸面積；p為熱釋電材料的熱釋電系數(shù)。在p和A不變的條件下，響應電流的大小與dT/dt成正比。dT/dt越大，探測器的響應電流就越大，電流響應率就越高，探測器的靈敏性越好。凳型熱釋電探測器在給定條件下，其平均熱釋電電流輸出為 31.52 pA。

表3對比了2種結(jié)構(gòu)的熱仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，凳型結(jié)構(gòu)相較于管狀結(jié)構(gòu)在溫升、溫度變化率和熱釋電電流3個方面都有顯著的改善。這表明，使襯底懸空是降低探測器熱傳導損耗的有效途徑。同時，最大溫升的提高會導致熱時間常數(shù)相應的增加。由于熱釋電探測器工作在非平衡態(tài)，在熱平衡態(tài)時沒有信號輸出，因此，熱時間常數(shù)的增加相當于在溫升與溫降過程中輸出交流電信號的持續(xù)時間得到了增加。在表4中，根據(jù)吸波效果與文獻［25，27-28］中的探測器進行了比較，結(jié)果表明本文結(jié)構(gòu)在吸收效率和頻帶范圍方面有明顯的改善。

4 結(jié) 語

將超表面吸波器引入到太赫茲探測器的設計中，并利用熱釋電材料將吸收的太赫茲波轉(zhuǎn)換成可檢測的電信號，實現(xiàn)了高效寬帶的太赫茲探測，為設計和優(yōu)化寬帶太赫茲探測器提供了重要參考，主要結(jié)論如下。

1）吸波結(jié)構(gòu)通過使用MATLAB與電磁場仿真軟件CST聯(lián)合仿真進行優(yōu)化，基于嚴格的電磁仿真和遺傳算法，可以實現(xiàn)高可靠性的自動和逆向設計。

2）基于雙超表面的寬帶太赫茲熱釋電探測器，提高了 0.1～10 THz頻段的太赫茲波探測性能，吸收結(jié)構(gòu)在全THz頻段的平均吸收率超過了90.0%。引入雙超表面吸收器使得探測器在整個THz頻段具有連續(xù)且高效的吸波特性。

3）仿真分析敏感層、絕熱層等特征參數(shù)對太赫茲熱釋電探測器溫度變化率以及響應電流的關(guān)系，表明敏感層越薄，溫升越高，溫度變化率越大，電流響應越大；絕熱層越厚，溫度變化率越高，電流響應越大，探測器的靈敏性越高；凳型熱釋電探測器的平均熱釋電電流輸出為 31.52 pA。

4）對比不同結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果，襯底懸空是減小探測器熱傳導損耗的有效途徑。

本文提出的設計方法僅通過仿真結(jié)果進行了驗證，尚未進行實驗驗證。未來擬開展器件制備和性能表征研究，進一步改進高效率、大帶寬太赫茲探測器的設計。

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責任編輯：馮民

基金項目：國家自然科學基金（62105093）；河北省教育廳科學研究項目（BJK2023036）；河北科技大學引進人才科研啟動基金（1181382）

第一作者簡介：張明（1991-），男，河北邯鄲人，副教授，博士，主要從事太赫茲探測器、超表面光電器件方面的研究。通信作者：尚燕，講師。E-mail： shangyan62580@163.com張明，張俊垚，張娜嬌，等.基于超表面的寬帶太赫茲熱釋電探測器設計［J］.河北科技大學學報，2024，45（2）：141-149.ZHANG Ming，ZHANG Junyao，ZHANG Najiao，et al.Design of wideband terahertz pyroelectric detector based on metasurface［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2024，45（2）：141-149.