Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

Magnetische Kopplungen in magneto-optischen Speicherschichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magneto-optische Speicherschichten und ihre Kopplungen untereinander untersucht. Hierzu wurden zum Einen die für die magneto-optische Speichertechnologie "klassischen" Schichten aus RE/TM-Legierungen verwendet, zum Anderen aber auch erfolgreich Granate integriert, die bisher nicht in diesem Anwendungsgebiet verwendet wurden. Einleitend werden die magneto-optischen Verfahren, die resultierenden Anforderungen an die dünnen Schichten und die entsprechenden physikalischen Grundlagen diskutiert. Außerdem wird auf das Hochfrequenz-Sputtern von RE/TM-Legierungen eingegangen und die verwendeten magneto-optischen Messverfahren werden erläutert [Kap. 2 & 3]. Die Untersuchungen an RE/TM-Schichten bestätigen die aus der Literatur bekannten Eigenschaften. Sie lassen sich effektiv, und für magneto-optische Anwendungen geeignet, über RF-Sputtern herstellen. Die unmittelbaren Schicht-Parameter, wie Schichtdicke und Terbium-Konzentration, lassen sich über einfache Zusammenhänge einstellen. Da die Terbium-Konzentration eine Änderung der Kompensationstemperatur bewirkt, lässt sich diese mit Messungen am Kerr-Magnetometer überprüfen. Die für die Anwendung interessante senkrechte magnetische Anisotropie konnte ebenfalls mit den Herstellungsbedingungen verknüpft werden. Bei der Herstellung der Schichten auf einer glatten Glas-Oberfläche (Floatglas) zeigt die RE/TM-Schicht bereits in den ersten Lagen ein Wachstumsverhalten, das eine senkrechte Anisotropie bewirkt. Auf einer Quarzglas- oder Keramik-Oberfläche wachsen die ersten Lagen in einer durch das Substrat induzierten Struktur auf, danach ändert sich das Wachstumsverhalten stetig, bis eine senkrechte Anisotropie erreicht wird. Dieses Verhalten kann auch durch verschiedene Pufferschichten (Aluminium und Siliziumnitrid) nur unwesentlich beeinflusst werden [Kap. 5 & Kap. 6]. Bei der direkten Aufbringung von Doppelschichten, bestehend aus einer Auslese-Schicht (GdFeCo) auf einer Speicherschicht (TbFeCo), wurde die Austausch-Kopplung demonstriert. Die Ausleseschicht zeigt unterhalb der Kompensationstemperatur keine Kopplung an die Speicherschicht, während oberhalb der Kompensationstemperatur eine direkte Kopplung der Untergitter stattfindet. Daraus ergibt sich das für den MSR-Effekt erwünschte Maskierungsverhalten. Die vorher aus den Einzelschichten gewonnen Ergebnisse zu Kompensationstemperatur und Wachstumsverhalten konnten in den Doppelschichten wiedergefunden werden. Als Idealfall erweist sich hier die einfachste Struktur. Man bringt die Speicherschicht auf Floatglas auf und bedeckt diese direkt mit der Ausleseschicht [Kap. 7]. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, den Faraday-Effekt einer Granatschicht als verstärkendes Element zu nutzen. Im anwendungstauglichen, integrierten Schichtsystem konnten die kostengünstig, mit dem Sol-Gel-Verfahren produzierten, Granate die strukturellen Anforderungen nicht erfüllen, da sich während der Herstellung Risse und Löcher gebildet haben. Bei der experimentellen Realisierung mit einer einkristallinen Granatschicht und einer RE/TM-Schicht konnte die prinzipielle Eignung des Schichtsystems demonstriert werden [Kap. 8].

Development of hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.