Fabrication and characterization of mId-IR semiconductor loaded plasmonic waveguides for chemical sensing

Abstract

Mid-infrared spectroscopy offers an effective solution to identify absorption lines of target molecules, e.g. in liquid environment. This is due to the fundamental absorptions lines of many molecules lie in this wavelength range. Unfortunately, still most equipment used for such experiments is rather bulky, significantly hampering real-time measurements in liquids so far. Reducing the size of bulky photonic components is one possible way to tackle this problem, but it is a challenging task to realize chip-scale devices. Mid-infrared plasmonic structures can be a solution to that, since they can confine the light to the wavelength-scale, e.g. when using metal-dielectric structures. Those structures can be used in different types of liquid samples, but need protection in aggressive solutions. Despite a large number of papers published in the field, a promising material concept against degradation in the liquid with low optical losses is still missing.In this thesis work, broadband Ge-based plasmonic waveguide structures suitable for liquid spectroscopy are studied when combining them with different protective surface films. First, state-of-the-art Ge/Au-based SPP waveguides are fabricated. Based on the material configuration and the nature of SPPs when using thin Ge confinement layers, the main portion of the mode (>96%) propagates in the surrounding medium (e.g. the liquid sample). This results in relatively long propagation lengths. Combined with the simplicity of the device fabrication procedure, it makes Ge-based waveguides a very promising liquid sensing platform in the mid-infrared spectral range. The optical losses and coupling efficiency of the coated waveguides are extracted by applying an effective cut-back technique. This demonstrates, that the Ge-based material system outperforms existing plasmonic waveguides in the same wavelength range, with its optical losses lower than 15 dB/mm at 9.38 μm.In total four different nanometer-thick insulation layers were used for protection in this work, including: Al2O3, ZrO2, TiO2 and HfO2. They were deposited by Atomic Layer Deposition (ALD). The modal characteristics and propagation losses of the coatings are compared. In addition, both coated and uncoated devices, are submerged into DI-H2O for testing their protective capabilities. This is based on the fact, that water etches bare Ge-surfaces. After 90 min of water exposure, the surface quality of the thin oxide films is investigated by Scanning Electron Microscope (SEM) and Atomic Force Microscope (AFM). The optical losses of coated and uncoated devices are compared to demonstrate the suitability of this approach scheme for broadband spectroscopy in aqueous solution.

Die Spektroskopie im mittleren Infrarot bietet eine effektive Lösung zur Identifizierung der Absorptionslinien von Zielmolekülen, z.B. in flüssiger Phase. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die grundlegenden Absorptionslinien vieler Moleküle in diesem Wellenlängenbereich liegen. Leider sind die meisten Geräte, für solche Experimente ziemlich sperrig, was Echtzeitmessungen in Flüssigkeiten erheblich erschwert. Die Verringerung der Größe sperriger photonischer Komponenten ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe speziell um Sensoren auf Chipgröße zu realisieren. Plasmonische Strukturen in mittleren Infrarot können das Licht auf die Sub-Wellenlängen-Skala für metall-dielektrische Strukturen beschränken. Diese Strukturen können in verschiedenen Arten von flüssigen Phasen verwendet werden, müssen aber in aggressiven Flüssigkeiten geschützt werden. Trotz einer großen Zahl von Arbeiten auf diesem Gebiet, fehlt es noch immer an einem vielversprechenden Materialkonzept gegen Degradation in der Flüssigkeit mit geringen optischen Verlusten. In dieser Arbeit, wurden breitbandige plasmonische Wellenleiterstrukturen auf Ge-Basis untersucht, die sich für die Flüssigkeitsspektroskopie eignen, besonders wenn sie mit verschiedenen schützenden Oberflächenschichten kombiniert werden. Zunächst werden die hochmodernen Ge/Au-basierten surface plasmon polariton (SPP) Wellenleiter hergestellt. Dank der Materialkonfiguration und der Art der SPPs befindet sich der größte Teil der Mode (>96%) in der Luft. Dies führt zu relativ großen Propagationslängen. In Kombination mit dem einfachen Herstellungsverfahren und der relativ großen Propagationslänge bieten Ge-basierte Wellenleiter die gewünschte Plattform für die Sensorik im mittleren Infrarotbereich. Die optischen Verluste und die Kopplungseffizienz der Wellenleiter werden durch Anwendung einer effektiven cut back technique extrahiert. Das Ge-basierte Materialkonzept übertrifft bestehende plasmonische Wellenleiter durch niedrige optische Verluste von weniger als 15 dB/mm bei 9.38 μm Wellenlänge. Zum Schutz wurden vier verschiedene nanometer dicke Isolationsschichten verwendet darunter Al2O3, ZrO2, TiO2 und HfO2. Sie wurden durch Atomic Layer Deposition (ALD) aufgebracht.