Fabrication optimization of photonic crystal quantum cacade devices

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Herstellungsverfahren für photonische Kristalle aus Quantenkaskadendetektoren und -lasern. Der gesamte Prozess lässt sich grob in vier große Bereiche aufteilen: Zunächst wurden Computersimulationen der photonischen Kristallstrukturen durchgeführt, um die für die Fertigung essentiellen Parameter und Abmessungen beziehungsweise Anfangswerte für die weiteren Arbeitsschritte zu ermitteln. Die Simulationen wurden im Laufe der Arbeit immer weiter verfeinert und angepasst. Im zweiten Teil wurden die durch die Simulationen erhaltenen Parameter für den Herstellungsprozess der photonischen Strukturen verwendet, präziser für die Erstellung lithographischer Masken. Diese Entwürfe wurden in einem iterativen Prozess, unter der Berücksichtigung neuer Erkenntnisse, verfeinert. Der größte Teil der Arbeit, die Bearbeitung der Proben und die Analyse der Bilder und der Messergebnisse, wurde in einem Reinraum durchgeführt. Auf Grundlage dieser Daten sind neue Rezepte für den Ätzprozess entwickelt worden. Die Messungen an den erzeugten Detektoren beziehungsweise Lasern bilden den abschließenden Teil dieser Arbeit. Das Verhalten der Detektoren beziehungsweise Laser war nicht genauso wie im Rahmen der Simulationen erarbeitet, jedoch liefern vor allem die Ergebnisse der Ätzprozesse wertvolle neue Erkenntnisse, welche essentiell für die weitere Forschung zu Ätzverfahren in Quantenkaskaden Material sein könnten. Die gezeigten Ätzprozesse sind vielversprechend und demonstrieren, dass sehr tiefe Löcher mit einem sehr großen Aspektverhältnis produziert werden können.

This thesis deals with the enhancement of the fabrication methods for photonic crystals on quantum cascade devices. To optimize these, four main realms were investigated and worked on: To obtain starting values on the dimensions for each component of an actual device, computer simulations were performed. Even though the evaluated parameters were the basis for all further steps, the simulations were constantly refined and adapted by means of optimization during the development process. The second part involved implementing the derived values into the creation of designs for the manufacturing of the photonic crystal, including lithographic masks. Those designs were revised in an iterative process, taking into account additional findings. The majority of the work was performed in a cleanroom environment, especially the processing of the devices and investigating of the as-built devices. These images and measurements were the basis of new recipes for the etch process development. Analysis of the fully processed devices represent the concluding part of this work. The lasing and detecting properties were not as good as desired within the framework of this thesis. However, the results of the etching process provide new important insights to spur further research and advancements in this field. The ultimate results of the etching processes are very promising in terms of feasibility of obtaining very deep holes and achieving high aspect ratios.