Zadanie 1

Zadanie dotyczy wyboru rodzaju i projektowania anten wykorzystywanych następnie w konstrukcji pojedynczych pikseli detektora. Prace prowadzone w ramach tego podzadania mają doprowadzić do zaproponowania anten, które najłatwiej będzie można wykorzystać następnie w wielo-pikselowym detektorze promieniowania ze względu na topologię doprowadzeń, selektywność częstotliwościową, wymiary geometryczne, a także na łatwość ich wykonania w technologiach mikroelektronicznych stosowanych przez partnerów projektowych. Oznacza to nacisk na anteny planarne realizowane jako anteny typu łata promieniująca, dipol drukowany umieszczony nad powierzchnią masy lub anteny objętościowe typu DRA (Dielectric Resonator Antenna) wykorzystujące także strukturę podłożową o odpowiednio dobranych wymiarach.

Rozpoczęcie prac od projektowania anten dla detektorów 1-pikselowych pozwoli także na udoskonalenie struktur promieniujących (pod względem selektywności i/lub czułości) wykonanych w ramach Projektu Rozwojowego „Zaprojektowanie i wykonanie detektora promieniowania sub-THz działającego w oparciu o krzemowy tranzystor MOS” (0155/R/T00/209/09). Zadanie to zostanie zrealizowane przy wykorzystaniu mniej złożonych metod obliczeniowych niż te potrzebne do zaprojektowania całych linijek detekujących. Wspomniane uproszczenie wynika z mniejszych rozmiarów struktur detektorów 1-pikselowych, oraz braku ew. sprzężeń między sąsiednimi detektorami.

Metodologia badawcza zastosowana w pracach prowadzonych w ramach tego zadania obejmuje zastosowanie najnowocześniejszych numerycznych metod modelowania zjawisk elektromagnetycznych (w tym metody FDTD rozwijanej od wielu lat przez pracowników PW IRE). Przede wszystkim przewiduje się następujące kierunki szczegółowe:

1) Projektowanie anten dla pojedynczych detektorów rozpocznie się od opracowania efektywnych modeli numerycznych samych struktur półprzewodnikowych. Modele te zostaną opracowane na podstawie danych o geometrii struktury i parametrów elektromagnetycznych wykorzystywanych materiałów takich jak przenikalność elektryczna i magnetyczna określona w paśmie częstotliwości roboczej. Modele przygotowane na podstawie tych danych będą uwzględniać rodzaj podłoża, kształty i grubość zastosowanej metalizacji, grubości warstw izolujących, a także stosowane w strukturze połączenia drutowe i sposób ich prowadzenia. Oczekuje się, że wynikiem tych badań będzie uproszczony zastępczy model obwodowy, który znajdzie zastosowanie jako punktowe pobudzenie (lub obciążenie) struktury promieniującej o skończonych wymiarach i określonej geometrii.

2) Opracowanie modelu źródła fal elektromagnetycznych pobudzających strukturę. W większości wypadków przewiduje się wykorzystanie reguły odwrotności i analizowanie pracy anteny poprzez jej pobudzenie i obserwowanie promieniowania całej struktury półprzewodnikowej. W wybranych wypadkach parametry modelowanego wymuszenia zostaną dobrane w taki sposób, aby scharakteryzować fale elektromagnetyczne padające na strukturę półprzewodnikową. Przewiduje się wykorzystanie źródła fali płaskiej o zdefiniowanej polaryzacji (np. liniowej) padającej na modelowaną strukturę pod wybranym kątem zależnym od przewidywanych uwarunkowań toru optycznego.

3) Zaproponowanie kształtu i topologii anten zintegrowanych z tranzystorami (modelowanymi jako obciążenie punktowe) poprzez przeprowadzenie szeregu symulacji numerycznych wybranych wariantów. W pracach planuje się wykorzystanie narzędzi opracowanych przez pracowników Instytut Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej z grupy badawczej kierowanej przez prof. W. K. Gwarka. W narzędziach tych zaimplementowano konforemny algorytm FDTD1,2, pozwalający na modelowanie obwodów w paśmie mikrofalowym i optycznym. Narzędzia te zostały rozbudowane przez wprowadzenie mechanizmów pozwalających na efektywne ekstrahowanie parametrów badanej struktury3,4 i modelowanie struktur promieniujących5. Wysoka skuteczność i efektywność tych narzędzi została wielokrotnie potwierdzona poprzez wykorzystanie ich w projektach naukowych prowadzonych przez zespoły w Polsce i na świecie. Na tej podstawie oczekuje się, że narzędzia te dobrze spełniają wymagania związane z modelowaniem nowych struktur półprzewodnikowych w ramach proponowanego projektu.