Titelaufnahme

Titel
Photonic crystal intersubband photodetectors / von Stefan Kalchmair
VerfasserKalchmair, Stefan
Begutachter / BegutachterinStrasser, Gottfried ; Schneider, Harald
Erschienen2012
UmfangVIII, 140 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2012
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Photonischer Kristall / QWIP / Quantentopf Infrarot Fotodetektor / Detektivität / Photonische Kristallmembran
Schlagwörter (EN)photonic crystal / QWIP / quantum well infrared photodetector / detectivity / photonic crystal slab
Schlagwörter (GND)Photodetektor / Infrarotdetektor / Quantenwell / Empfindlichkeit / Photonischer Kristall
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-53011 Persistent Identifier (URN)
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Photonic crystal intersubband photodetectors [2.44 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Das Ziel dieser Dissertation war die Verbesserung der Sensitivität von Quantentopf Infrarot Fotodetektoren (quantum well infrared photodetectors, QWIP). QWIPs sind heutzutage mit Detektivitäten bis zu 10^11 cm Hz^0.5/W erhältlich. Moderne QWIP Kamerasysteme verfügen über Megapixel-Sensoren und finden Verwendung in der Astronomie und in militärischen Abwehrsystemen.

QWIPs haben jedoch gewisse Nachteile. Ein Nachteil ist die fehlende Sensitivität für senkrecht auf die Oberfläche einfallendes Licht. Ein weiteres Problem ist die Notwendigkeit, QWIPs bei kryogenen Temperaturen zu betreiben um brauchbare Signal-Rausch-Verhältnisse zu erhalten. Die Detektion von senkrecht einfallendem Licht erfolgt, indem ein Beugungsgitter auf den QWIP aufgebracht wird. Das zweite Problem ist bis heute ungelöst und QWIPs müssen weiterhin bei tiefen Temperaturen betrieben werden.

In jedem Fotodetektor findet man einen Absorber, der die auftreffende Strahlung in ein elektronisches Signal umwandelt. In QWIPs wird die Strahlung von den Elektronen in den Quantentöpfen absorbiert. Wichtig für ein starkes Signal ist eine hohe Absorption. Leider ist die Absorption pro Quantentopf in Standard-QWIPs unter 1%. Die Gesamtabsorption kann durch die Verwendung von mehreren Quantentöpfen erhöht werden, aber nicht der gemessene Fotostrom. Die interne Verstärkung reduziert sich proportional zur Anzahl der Quantentöpfe.

Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Absorption des Fotodetektors, ohne die elektrischen Eigenschaften zu verändern, ist die Verwendung eines optischen Resonators. Photonen im Resonator haben eine längere Lebensdauer, wodurch die Absorptionswahrscheinlichkeit und hiermit die Quanteneffizienz des Detektors erhöht werden. Diese Methode bezeichnet man als resonante Absorptionsverstärkung.

Im Rahmen dieser Arbeiten wurden QWIPs mit photonischen Kristallmembranen (photonic crystal slabs, PCS) kombiniert. Dies erlaubt die Detektion von senkrecht auf die Oberfläche einfallendem Licht und die Erhöhung der Sensitivität. Photonische Kristallmembranen sind ausgezeichnete Resonatoren und erlauben sehr gute vertikale Modenführung. Selbst für abstrahlende Moden sind hohe Q-Faktoren möglich. Für die Herstellung der Fotodetektoren wurden photonische Kristallmembranen aus der QWIP-Heterostruktur gefertigt. Zuerst wird der photonische Kristall in den QWIP geätzt und danach durch selektives Unterätzen eine freistehende Kristallmembran erzeugt. Als Referenzdetektoren wurden quaderförmige Standard-QWIPs gefertigt.

Für die Simulation der photonischen Kristallmembranen wurde ein zeiteffizientes Programm entwickelt - die "revised plane wave expansion method". Eine photonische Kristallmembran ist zwar ein dreidimensionales Objekt, aber sie kann als reiner zweidimensionaler photonischer Kristall kombiniert mit einem ebenen Wellenleiter angenähert werden. Diese sehr gute Annäherung erlaubt die Berechnung der vollständigen photonischen Bandstruktur innerhalb weniger Sekunden.

Zur Messung der Fotostrom-Spektren wurden alle Proben mit einem Globar beleuchtet und mit einem Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer analysiert. Das PCS-QWIP-Spektrum zeigt ausgeprägte Resonanzen, die zu den entsprechenden photonischen Kristallmembran-Moden gehören. Die Verweildauer der Photonen im Kristall bei der Resonanzfrequenz ist deutlich länger, wodurch die Absorption verstärkt wird und scharfe Resonanzspitzen entstehen.

Die resonante Absorptionsverstärkung kann genutzt werden um die Sensitivität des Fotodetektors zu erhöhen. Die Dotierung optimierter Standard-QWIPs für 8m Wellenlänge ist 4x10^11 cm^-2. Um das Dunkelstromrauschen zu verringern wurden niedrig dotierte QWIPs mit 100-mal geringerer Dotierung gewachsen. Dadurch sinkt auch die Empfindlichkeit dieser niedrig dotierten QWIPs. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen ohne mehr Detektorrauschen zu erzeugen wurde ein PCS-QWIP gefertigt, bei dem die stärkste Resonanz und das Absorptionsmaximum des QWIPs übereinanderliegen. Durch diese Methode wurde eine bis zu 20-fach höhere Detektivität erreicht, verglichen mit Standard-QWIPs. Diese Erhöhung der Detektivität ergibt sich aus einer Kombination der Erhöhung der Empfindlichkeit und der Verringerung des Detektorrauschens. Niedrig dotierte PCS-QWIPs wurden erfolgreich bei Raumtemperatur betrieben und zeigten noch immer akzeptable Detektivität und handhabbare Dunkelströme.

Zusammenfassung (Englisch)

The focus of this thesis was to improve the performance of quantum well infrared photodetectors (QWIPs). Today, commercially available QWIPs have detectivities up to 10^11 cm Hz^0.5/W. Modern QWIP camera systems with megapixel sensors are available and frequently used in astronomy and military countermeasure systems. However, QWIPs suffer from certain drawbacks, in particular the lack of sensitivity to surface-normal incident light and the need for operation at cryogenic temperatures to get reasonable signal-to-noise ratios. The first issue is usually addressed by combining QWIPs with diffraction gratings. The second issue remains unsolved, generally forcing QWIPs to be operated at liquid nitrogen temperatures.

The key element of any photodetector is the absorber, which converts the incoming radiation into a measurable electronic signal. In QWIPs the photons are absorbed by confined electrons in quantum wells. To measure a strong response from any photodetector a large absorption is essential. However, the absorption per quantum well in a standard QWIP is usually below 1%. The total absorption can be increased by using a large number of quantum wells, but the measured photocurrent cannot be increased this way. The internal gain of the QWIP decreases with an increasing number of quantum wells. An efficient way to improving the absorption of the photodetector without altering its electrical properties is by embedding the absorber in a resonant cavity. Photons inside the cavity exhibit a longer lifetime. This increases the absorption probability and hereby the quantum efficiency of the detector. This principle is called resonant cavity enhancement.

We combined QWIPs with photonic crystal slab (PCS) resonators to detect surface-normal incident light and to improve the detector performance.

The PCS shows strong resonant properties and excellent vertical mode confinement, which provides a high Q-factor even for radiative photonic crystal modes. The photodetector was built by fabricating a photonic crystal slab from the QWIP heterostructure. By selectively underetching the photonic crystal, a free-standing photonic crystal slab is created.

As reference devices, standard mesa QWIPs were fabricated.

The PCS was designed using a time-efficient simulation tool - the revised plane wave expansion method. While a PCS is really a three-dimensional object, it can be approximated as a two-dimensional photonic crystal combined with a simple slab waveguide. The simulation tool uses this very good approximation, allowing to calculate the entire photonic band structure of the PCS within a matter of seconds.

To measure the spectral photoresponse, all samples were illuminated with a Globar and measured with a Fourier transform infrared spectrometer.

The PCS-QWIPs show pronounced resonance peaks, which correspond to the PCS modes. At the resonance frequencies, the photon lifetime in the active region is significantly increased, which causes enhanced absorption and sharp photocurrent peaks. The absorption enhancement is used to increase the detectivity of the photodetectors. Compared to optimized standard QWIPs with a doping concentration of 4x10^11 cm^-2, low-doped QWIPs were grown with 100 times reduced quantum well doping. These low-doped QWIPs exhibit significantly lower dark current noise, but also lower detector responsivity. To increase the responsivity without increasing the detector noise, a PCS-QWIP was designed, where the strongest resonance of the PCS coincides with the peak absorption frequency of the QWIP.

With this method a detectivity increase of up to 20 times was shown, compared to standard QWIPs. The detectivity enhancement is a combined effect of responsivity increase and noise current reduction. Low-doped PCS-QWIPs could be operated up to room temperature, still showing reasonable detectivities and manageable dark currents.