Germanium quantum wells for electro-optic modulation

The goal of this thesis is to contribute to the development of quantum well based optical modulators, that represent a key step in the realization of large scale optical interconnects integrated on silicon. This work is split in two main parts: the optimization of the fabrication process for the photodiode devices used to test the optical modulation, and the numerical modeling of the absorption spectra of germanium quantum well structures with the objective of both better understanding the experimental data and designing optimized devices. Several steps of the fabrication process have been optimized and the experimentally measured absorption spectra from the fabricated devices have been compared to the results of the simulations, showing good agreement. In particular the improvements in the fabrication process led to a relevant reduction in the dark current which allows for the application of an increased reverse bias, and the comparison between experiments and modeling highlighted the key role of residual doping in the devices.

L'obiettivo di questa tesi è quello di contribuire allo sviluppo di modulatori ottici a base di quantum well, che rappresentano un passo fondamentale nella realizzazione di interconnessioni ottiche su larga scala e integrate sul silicio. Questo lavoro è suddiviso in due parti principali: l'ottimizzazione del processo di fabbricazione dei fotodiodi utilizzati per testare la modulazione ottica e la simulazione numerica degli spettri di assorbimento delle strutture di quantum wells, con l'obiettivo di comprendere meglio i dati sperimentali e progettare dispositivi ottimizzati. Sono stati ottimizzati diversi passaggi del processo di fabbricazione e gli spettri di assorbimento misurati sperimentalmente dai dispositivi fabbricati sono stati confrontati con i risultati delle simulazioni, dimostrando un buon accordo. In particolare i miglioramenti nel processo di fabbricazione hanno portato ad una riduzione rilevante della corrente di buio consentendo l'applicazione di campi elettrici più elevati, e il confronto tra esperimenti e simulazioni evidenzia il ruolo fondamentale del doping residuo nei dispositivi.