Optical cavities for mid-infrared devices

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung, der Herstellung und der Untersuchung neuer Resonatormodelle für optoelektronische Halbleiterbauelemente. Im Speziellen handelt es sich hierbei um Quantenkaskadenlaser (QC-Laser) sowie Photodetektoren (QWIPs), welche auf sogenannten Intersubbandbergängen basieren, und in einem Wellenlängenbereich von 3 - 30 µm einsetzbar sind. In diesem langwelligen Bereich des Infrarots befinden sich viele charakteristische Absorptionslinien chemischer Substanzen, die der Identifikation und Quantifizierung von Spurengasen und Verunreinigungen dienen können. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ergibt sich bei Wellenlängen um 5 und 10 µm. Hier wird Licht beim Durchgang durch die Erdatmosphäre nur in geringem Maße absorbiert, wodurch sich Anwendungen in der kabellosen Datenübertragen ergeben. Zu allerletzt bleibt das Gebiet der Thermographie, bei dem die von allen Objekten entsandte Wärmestrahlung mittels eines Kamerasystems abgebildet wird. Da Wärmestrahlung im Bereich des mittleren Infrarots stattfindet, werden entsprechende Photodetektoren benötigt. Bei der Herstellung der photoaktiven Schicht wird eine Abfolge sehr dünner Halbleiterschichten im Nanometerbereich abgeschieden. Durch eine Veränderung der Schichtdicken kann die Emissions- beziehungsweise Detektionswellenlänge in weiten Bereichen (3 - 30 µm)eingestellt werden.<br />Aufgrund quantenmechanischer Auswahlregeln kann nur Licht erzeugt werden, welches sich parallel zu den Schichten ausbreitet. Um oberflächenemittierende Laser herzustellen, ist es daher notwendig, das erzeugte Licht aus der Schichtebene herauszubeugen. Zumeist werden dafür Gitterstrukturen in die Oberfläche des Bauteiles geätzt. Dies gilt auch für Detektoren, sodass zum Beispiel in Wärmebildkameras jedes Pixel mit einem Einkoppelgitter versehen wird, um die einfallende Strahlung absorbieren zu können. Im Zuge dieser Dissertation wurden photonische Kristalle auf deren Anwendbarkeit für QWIP-Detektoren untersucht. Photonische Kristalle weisen eine weitaus stärkere (resonante) Wechselwirkung mit Licht auf als herkömmliche Gitter. Dadurch bildet sich eine photonische Bandstruktur aus, welche das Einkoppel- und Absorptionsverhalten im Bauteil bestimmt. Die photonische Bandstruktur derartiger Detektoren wurde vermessen, und mit Simulationsrechnungen abgeglichen. Weiters wurden Polarisationsabhängigkeit sowie Einkoppeleffizienz untersucht und mit der Kristallsymmetrie in Verbindung gebracht. Dabei konnten jene Moden identifiziert werden, welche optimale Einkoppeleffizienz aufweisen. Es wurde auch gezeigt, dass photonische Kristalle in QWIP-Detektoren zu optischen Resonanzeffekten führen. Dieser Effekt könnte in Zukunft verwendet werden, um den Hintergrundstrom zu reduzieren. Dadurch kann das Signal-Rausch Verhältnis verbessert, beziehungsweise eine höhere, maximale Betriebstemperatur erreicht werden. Auch bei QC-Lasern werden feine Gitterstrukturen verwendet, um das Laserlicht aus der Chip-Oberfläche auszukoppeln. Gleichzeitig werden diese Gitter dazu verwendet, eine einzelne, schmale Laserlinie aus dem für Halbleiterlaser typischen, breiten Emissionsspektrum auszuwählen.<br />Die hierbei üblicherweise verwendeten DFB-Gitter interagieren nur schwach mit dem im Laser laufenden Licht, wodurch derartige Bauteile eine Mindestlänge von etwa 1.5 mm erfordern. Im Zuge der Dissertation wurde ein neuartiger Wellenleiter entwickelt, welcher die Wechselwirkung zwischen DFB-Gitter und Laserlicht auf das 10-fache erhöht. Laser, welche entsprechend diesem Konzept hergestellt wurden, zeigten die gewünschte Emission auf einer einzelnen Laserlinie auch bei vergleichbar kleiner Länge von 0.18 mm. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, kürzere, oberflächenemittierende QC-Laser mit geringerer Leistungsaufnahme herzustellen, welche nach wie vor die erwünschten spektralen Eigenschaften aufweisen.<br />

This thesis is concerned with the realization of optical cavities aiming to improve mid-IR semiconductor devices. The call for optoelectronic devices in this spectral region is driven by several potential applications. First, the mid-IR region (3 - 30 µm) is often called the fingerprint region of chemical molecules. Most of the vibrational/rotational absorption lines are located here, and can be used for trace-gas or pollution sensing. Another field of application is given by the two atmospheric windows at 5 and 10 µm. Here absorption in the atmosphere is low and free-space communication is feasible. As a last point, thermal imagingers require mid-IR photodetectors too. Quantum cascade lasers (QCLs) and quantum-well infrared photodetectors (QWIPs) are capable to cover the spectral region between 3 and 30 µm.<br />They are based on so called intersubband transitions, which are generated by the epitaxial growth of thin, semiconductor layers. To such optoelectronic devices a special quantum mechanical selection rule applies: light with the electric field polarized normal to the epitaxial layers can neither be generated nor detected. It is therefore inalienable to integrate a diffractive element in the optical cavity if aiming for surface-emitting QCLs or surface-sensitive QWIPs. In the course of this thesis photonic crystal QWIPs were realized for the first time. The devices are sensitive to surface incident light and display strong resonant character. The focus of the thesis was to use these devices as a characterization tool to gain the necessary knowledge for realizing a photonic crystal based resonant detection scheme. This concept is believed to improve signal-to-noise and temperature performance - the two main challenges for mid-IR photodetectors and especially for QWIPs. The photonic band structure was mapped out including its symmetry properties which affects the polarization behavior of the detector. Also coupling efficiency is discussed in combination with symmetry. Based on these results the most promising PhC modes were identified. The method was also used to investigate photonic crystal defect modes concerning their coupling efficiency, dispersion and polarization behavior. In terms of linewidth broadening, positional disorder was identified as an important limiting factor, but still leaves room for further progress. In order to meet the demand for reliably positioning the peak responsivity, post-fabrication tuning by depositing dielectric layers was used to define the resonant frequency with an accuracy of 0.1%.<br />The second part of the thesis was attributed to the improvement of single-mode, surfaceemitting quantum cascade lasers. Those are typically realized as 2nd order distributed-feedback lasers holding a shallow grating on top of a ridge waveguide. The coupling to the optical mode is relatively small and a certain minimum ridge length is therefore required to provide singlemode operation. During the thesis a novel waveguide was developed for GaAs as well as for the InP material system that increases the interaction between the optical mode and a shallow grating. As a result the minimum required length of a GaAs-based 2nd order distributedfeedback quantum cascade laser could be reduced by one order of magnitude and single-mode surface-emission was shown for lasers as short as 180 µm. This concept not only allows for device minimization, it also enables the fabrication of 2D gratings for improved beam quality and has high potential for microfluidic sensing applications.<br />