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Title
Resonance tuning of photonic crystal intersubband detectors / von Andreas Harrer
AuthorHarrer, Andreas
CensorStrasser, Gottfried
Published2013
DescriptionVIII, 99 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2013
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)photonischer Kristall Membran / intersubband / Quanten Topf Infrarot Detektor / QWIP / MIR / infrarot
Keywords (EN)photonic crystal slab / intersubband / Quantum Well Infrared Detector / QWIP / PhC / MIR / infrared
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-53400 Persistent Identifier (URN)
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Resonance tuning of photonic crystal intersubband detectors [11.72 mb]
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Abstract (German)

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Optimierung von photonischen Kristall (PhC) intersubband-Photodetektoren für den mittleren Infrarot (MIR) Bereich. Durch die Fertigung von Quanten Topf Infrarot Photodetektoren (QWIPs) in Form einer photonischen Kristall Membran (PhCS), werden die elektromagnetischen Eigenschaften eines photonischen Kristalls als optischer Resonator genutzt. Bei den Resonanzfrequenzen wird die Lebensdauer der Photonen erhöht. Die dadurch erhöhte Absorbtion führt zu einer verbesserten Detektivität des Detektors. Um diese Detektivitätssteigerung zu maximieren, müssen die Resonanzen des photonischen Kristalls mit dem Absorbtionsmaximum des Detektors in Übereinstimmung gebracht werden. Die spektrale Position dieser Resonanzfrequenzen bestimmt maßgeblich die Leistungsfähigkeit des Detektors. Kleinste geometrische Abweichungen bei der Herstellung des photonischen Kristalls haben großen Einfluss auf die optischen Resonanzfrequenzen. Die Veränderung der optischen Eigenschaften nach ihrer Fertigung ist daher notwendig, um gleichbleibende Bauelementeigenschaften erzielen zu können.

Zur Verschiebung der optischen Resonanzfrequenzen wurden zwei verschiedene Konzepte untersucht. Das erste Konzept beruht auf einem nachträglichen Abtragen von Galliumarsenid (GaAs) auf der Membran Oberseite. Mit diesem irreversiblen Konzept, welches anhand von Simulationen präsentiert wird, ist eine grobe Resonanzverschiebung möglich. Das zweite Konzept beruht auf der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex und in Folge der Resonanzfrequenz. Die Detektoren wurden konzipiert um die Membran durch einen lateralen Stromfluss zu beheizen. Für die Dimensionierung wurden Simulationen durchgeführt damit eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Membran gewährleistet wird. Zur Optimierung der Heizleistung wurden die elektrischen Parameter der Kontaktschichten bestimmt. Dazu wurden die stromdurchflossenen Kontaktschichten mittels 4-Punkt Messung charakterisiert. Der Einfluss der Kontaktwiderstände wurde mittels Transfer-Längen-Methode (TLM) bestimmt. Die thermische Resonanzverschiebung wurde zusätzlich an Quanten Kaskaden Detektoren (QCD) erprobt. Dabei konnten für beide Detektortypen Verschiebungen bis zu 3cm-1 erreicht werden.

Abstract (English)

This thesis is concerned with the tuning of resonances in photonic crystal slab (PhCS) intersubband detectors. Quantum well infrared photodetectors (QWIPs) in the mid-infrared (MIR) region fabricated as PhCS exhibit detectivity enhancement by resonant absorption. The PhCS, used as an optical resonator extends the photon lifetime at the photonic crystal (PhC) resonance peaks leading to a higher quantum efficiency. To achieve the desired detectivity enhancement the PhCS resonances have to be aligned with the maximum of the detectors photocurrent response. Thereby the spectral response of PhCS detector devices is strongly dependent on the optical resonance frequencies of the photonic crystal slab. PhCSs are compatible with standard semiconductor fabrication technology.

Nevertheless, small fabrication deviations of their geometry cause considerable shifts of their optical resonance frequencies. To overcome these deviations, concepts for resonance tuning of PhCS detector devices are required.

Two promising concepts for PhCS resonance tuning were investigated. An irreversible method with postprocessing and a reversible approach by thermal tuning of the free standing PhCS. For the postprocessing method a Gallium Arsenide (GaAs) tuning layer is etched by reactive ion etching (RIE) to reduce the PhCS thickness. This concept is investigated by simulation, using the revised plane wave expansion method (RPWEM). The second method is based on the temperature dependence of the slab materials refractive index. The slab structure is supported by beams on both sides for thermal insulation. Thermal tuning is achieved by a lateral current fow through the bottom contact layer of the PhCS detector. The detector geometry is optimized via simulation with respect to uniform slab temperatures and low device resistance. For heat power maximization the contact layer was characterized. The electric conductivity of the bottom contact layer is obtained by 4-point measurements. Furthermore, the influence of contact resistances is determined by the transfer length method (TLM). By thermal tuning resonance shifts up to 3cm-1 were observed. Thermal resonance tuning is presented for quantum well infrared photodetectors (QWIPs) and quantum cascade detectors (QCDs) by simulation, fabrication and measurements.

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