Photonic crystals as resonant cavities for photodetectors

Abstract

In herkömmlichen Photodetektoren wird die aktive Schicht mit höchstmöglicher Absorption entworfen, damit möglichst viel Licht absorbiert wird. Wenn jedoch die absorbierende Schicht in einem Resonator platziert wird, kann aufgrund mehrerer Durchquerungen der aktiven Zone die Absorption erheblich verbessert werden. Mit einem entsprechend angepassten Gütefaktors des Resonators kann somit die Quanteneffizienz eines beliebig schwach absorbierenden Photodetektors auf 100% gesteigert werden. Das Prinzip dieser resonant erhöhten Absorption lässt sich auf Photodetektoren für jeden Wellenlängenbereich anwenden. Dazu müssen nur die Abmessungen des Resonators auf die entsprechende Wellenlänge angepasst werden. Im Bereich der mittel-infraroten Strahlung zählt der QWIP zu den bedeutendsten und ausgereiftesten Technologien. QWIPs zeichnen sich vor allem durch hohe Uniformität aus, wodurch sie äußerst attraktiv für die Integration in einem FPA sind. Aufgrund der schwachen Intersubband Absorption werden üblicherweise mehrere QWs hintereinandergeschaltet, um einen ausreichend hohen Photostrom zu erhalten. Außerdem kann Licht nur absorbiert werden, wenn die elektrische Polarisation senkrecht zu den QWs ist. In herkömmlichen Bauteilen muss daher das Licht über eine schräge Facette oder ein Beugungsgitter eingekoppelt. Ein weiterer Nachteil von QWIPs ist, dass sie wegen der thermischen Erzeugung von Ladungsträgern sehr tiefe Betriebstemperaturen im Bereich von flüssigen Stickstoff benötigen. Mittels eines Resonators zur Erhöhung der Quanteneffizienz kann diesen gravierenden Nachteilen entgegengewirkt werden. Die Dotierung kann erheblich reduziert werden, um damit eine höhere Betriebstemperatur zu erzielen und die verringerte Absorption wird durch den Resonator kompensiert. Durch die schwächere Dotierung ergibt sich außerdem ein kleinerer Dunkelstrom und damit wird das Rauschen verringert. In Folge wird die Detektivität des Photodetektors verbessert. Als Resonatoren für QWIPs eignen sich besonders sogenannte PCS's. Diese bestehen aus einer periodischen Änderung des Brechungsindex in der lateralen Richtung und einem Wellenleiter in der vertikalen Richtung. Sie zeichnen sich durch hohe Gütefaktoren und Kompatibilität mit planaren Reinraumprozessen aus. Der PCS übernimmt auch die Aufgabe des Beugungsgitters und konvertiert vertikal auftreffendes Licht in eine absorbierbare Polarisation. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden die Möglichkeiten des PCS zur resonanten Erhöhung der Quanteneffizienz eines QWIPs untersucht. Dazu wurden mehrere numerische sowie analytische Verfahren angewendet und mit Messergebnissen verglichen. Weiters wurden die Auswirkungen des vertikalen Wellenleiters untersucht und die sogenannte photonische Bandstruktur aufgenommen. In dieser konnten Effekte wie das Mischen von Polarisationen und BICs nachgewiesen werden.

The responsivity of a photodetector can be significantly enhanced by placing it inside a resonant structure. Once a photon is inside the cavity, the number of passes through the photodetecting material is increased. This leads to a higher chance of absorbing a photon and generating a charge carrier. With a high quality resonator the quantum efficiency of an arbitrarily weak absorbing photodetector can be improved up to 100%. In the MIR regime the QWIP is one of the most matured technologies. Due to the high uniformity, it is the predominated device for integration into a FPA for camera systems. The intersubband absorption per QW is weak and only in the range of 1%. Therefore, it has to be compensated by using multiple periods to achieve reasonable responsivities. Further, the intersubband selection rule prohibits absorption of perpendicular incident light. A wedged facet or grating coupler is necessary to provide a field component perpendicular to the QWs. Another drawback of the QWIP is, that it has to be operated at cryogenic temperatures due to the thermal excitation of electrons. A PC addresses several of the weaknesses of a QWIP. Perpendicular incident light couples to photonic modes, which can possess an absorbable electric field. Further, a photonic crystal provides a high quality factor for RCE absorption. This allows to design the QWIP for improved temperature performance and detectivity. In the course of this thesis an extensive simulation frameset was used to investigate the effects of photonic crystal resonant cavities on photodetectors. Fast and accurate results of the photonic bandstructure were obtained with the RPWEM. Coupling of external radiation was simulated with the RCWA and for more complex finite structures with the FDTD. In addition the CMT model was applied to analytically calculate the quantum efficiency and investigate the influence of the always present substrate. QWIP devices with a high (4e11 cm -2) and low (4e9 cm -2) QW doping were processed as a free-standing PCS resonant cavity. The quantum efficiency of both were studied in detail to show the possible gain in responsivity. The lower doped device exhibited similar responsivity, while the higher electrical resistance allowed operation at higher temperatures. The inherent photodetector inside the photonic crystal provides a direct measurement of the field intensity inside the cavity. In the range of the relatively broad bound-to-continuum absorption, multiple pronounced photocurrent peaks due to the photonic crystal can be found. It was used to measure the photonic bandstructure and comparison with numerical calculations show an excellent agreement. Effects such as polarization mixing and BICs could be observed and verified with detailed simulations and analytical models.