Monolithic integrated free standing waveguides for on-chip gas sensing applications based on quantum cascade devices

Abstract

The spectroscopic analysis of gases is an important feature in things like industrial processcontrol, environmental monitoring or health care and benefits greatly from smaller devicesas they are easier to integrate. On chip gas sensing is a highly miniaturised form of gassensing and makes use of the unique absorption spectra of the gases. As many gases haveabsorption lines in the mid-infrared regime, quantum cascade lasers (QCLs) and quantum cascade detectors (QCDs) are predestined for such applications. This has the advantage that with bifunctional laser-detector structures the whole sensor can be integrated as a single chip. However, to increase the length of the light path while keeping a small chipsize, a waveguide is needed that allows spirals and therefore increasing the distance thelight travels before reaching the detector.This thesis is dedicated to the development of a process to integrate a monolithic freestanding waveguide. While there are different approaches to suspend the waveguide,which will be explained in this work, this process is based on flip chip bonding. The idea of the flip-chip bonding based integration is to process the lower half of the laser-waveguide-detector structure, then bond it to a carrier wafer, remove the substrate of the heterostructure and process the upper half. One of the key challenges of this approachis to align the lithography steps after the bonding with the previously created structures,without risking to destroy layers of the heterostructure. The advantage of the proposed process is a high flexibility of the used materials in both the superlatice as well as the carrier wafers and a perfect alignment of the lasers and detectors with the waveguide as it is monolithic integrated. In fact, the high versatility of the materials even allow the use of silicon carrier wafers and hence potentially open up the possibility of the integration of silicon based devices. The monolithic integration is achieved by fitting a waveguide in between the active region of the superlatice thus realising a split-active region laser. Furthermore, the simulation and design of the waveguide is also carried out in the scope of this thesis. Summarised, this thesis presents a new possibility of integrating suspended waveguidesin laser-detector structures which potentially opens the door for monolithic integratedon-chip gas sensing.

Die spektroskopische Analyse von Gasen ist eine wichtige Aufgabe in Bereichen wie der industriellen Prozesskontrolle, der Umweltüberwachung oder der Gesundheitskontrolle und profitiert stark von kleineren Geräten, da diese einfacher zu integrieren sind. On-ChipGas-Sensing ist eine stark miniaturisierte Form des Gassensors und nutzt die einzigartigen Absorptionsspektren der Gase. Da viele Gase Absorptionslinien im mittleren Infrarotbereich aufweisen, sind Quantum Cascade-Laser (QCL) und Quantum Cascade-Detektoren(QCD) für solche Anwendungen prädestiniert. Der Vorteil besteht darin, dass mit bifunktionalen Laser-Detektor-Strukturen der gesamte Sensor als einzelner Chip integriert werden kann. Um jedoch die Länge des Lichtwegs zu vergrößern und gleichzeitig eine kleine Chip-Größe beizubehalten, wird ein Wellenleiter der Spiralen ermöglich benötigt. Damit wird die Strecke verlängert, die das Licht zurücklegt, bevor es den Detektor erreicht. Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines Prozesses zur Integration eines monolithischen, freistehenden Wellenleiters. Während es verschiedene Ansätze zur Aufhängung des Wellenleiters gibt, die in dieser Arbeit erläutert werden, basiert dieser Prozess auf FlipChip-Bonding. Die Idee des auf Flip-Chip-Bonding basiernenden Integrationsprozesses besteht darin, die untere Hälfte der Laser-Wellenleiter-Detektor-Struktur zu bearbeiten, sie dann auf einen Carrier-Wafer zu bonden, das Substrat der Heterostruktur zu entfernen und dann die obere Hälfte zu bearbeiten. Eine der Herausforderungen dieses Ansatzes besteht darin, die Lithographieschritte nach dem Bonding mit den zuvor erstellten Strukturen übereinzubringen, ohne zu riskieren, Schichten der Heterostruktur zu zerstören. Der Vorteil des vorgeschlagenen Prozesses liegt in der hohen Flexibilität der verwendeten Materialien sowohl bezüglich des Superlattices als auch in der Carrier Wafer und einem perfekten Alignment der Laser und Detektoren mit den Wellenleitern, da diese monolithisch integriert sind. Tatsächlich ermöglicht die hohe Vielseitigkeit der Materialien sogar die Verwendung von Silizium-Trägerwafern und eröffnet somit potenziell die Möglichkeit der Integration von siliziumbasierten Geräten. Die monolithische Integration wird durch die Anpassung eines Wellenleiters zwischen dem aktiven Bereich der Superlattice erreicht, wodurch ein Split-Active-Region-Laser realisiert wird. Des Weiteren werden auch die Simulation und das Design des Wellenleiters im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit eine neue Möglichkeit, frei stehende Wellenleiter in Laser-Detektor-Strukturen zu integrieren, was potenziell die Tür für die monolithische Integration von On-Chip-Gas-Sensing öffnet.