Growth and characterization of Germanium micro-crystals as a platform for light detection

The deposition of germanium by low-energy plasma-enhanced CVD on deeply patterned silicon substrate is known to result in the growth of high aspect ratio micro-crystals. The crystal quality of these 3D structures has been shown to be comparable to that of commercial germanium wafers, thanks to the complete expulsion of threading dislocations which can be obtained by tuning the growth parameters. Moreover, an increased light confinement in the crystals due to their small lateral dimension has been predicted. These two features make the 3D crystal a very interesting starting point for the fabrication of near-infrared photodetectors. In this work the growth of germanium crystals on a patterned silicon substrate is discussed, and the effect of the growth parameters on their morphology is analyzed. The fabrication process of three different types of photodiodes is presented. The photodetectors are characterized by electrical and optical measurements, and a simple model which qualitatively describes their behavior is discussed.

è risaputo che la deposizione di germanio tramite low-energy plasma-enhanced CVD su substrati composti da pilastri micrometrici di silicio comporta la crescita di microcristalli, caratterizzati da un elevato rapporto tra la loro altezza e l'estensione laterale. Ottimizzando le condizioni della crescita, è possibile ottenere la complete espulsione di dislocazioni "threading", facendo si che la qualità cristallina di queste strutture 3D sia comparabile a quella di wafer di germanio commerciali. Inoltre, è stato previsto che la ridotta dimensione laterale dei cristalli comporti un maggior confinamento della luce al loro interno. Queste due caratteristiche fanno di questi cristalli 3D un punto di partenza molto interessante per la fabbricazione di detector per il vicino infrarosso. In questo lavoro viene discussa la crescita di cristalli di germanio su pilastri di silicio, e viene analizzata l'influenza delle condizioni della crescita sulla loro morfologia. Viene poi presentato il processo di fabbricazione di tre differenti tipi di detector, che sono caratterizzati tramite misure elettro-ottiche. Infine viene discusso un semplice modello che descrive qualitativemente i dati sperimentali.