Germanium and SiGe epitaxial growth for mid-infrared applications

The development of silicon photonic had a strong impact on the modern electronical technologies, as integrated communications, interconnects and computing, manipulating the light on a chip scale. Recently, the possibility to extend the wavelength range to the mid-IR, given by the development of the quantum cascade laser that provides a tunable and coherent light source in the mid-IR, attracted the interest of the researchers, due to the different applications achievable in this wavelengths region besides the standard data communications, such as on-chip chemical and biological sensing and integrated non-linear optics. Thus, germanium, SiGe alloys and Ge/SiGe heterostructures are good candidate for the realization of the basic building blocks for the mid-IR photonics, which have high performances, due to the material's properties and low cost and low fabrication issue, due to the high compatibility with the standard silicon technologies. During my PhD I exploited the properties of the Ge and SiGe alloys, to realize devices and structures working in the mid-IR. Taking advantage of the transparency of the Ge, and the tunable refractive index of the SiGe alloy, I will present the realization of Ge-based mid-IR waveguide, showing good performances in term of losses, which have been used to fabricate passive components as Mach-Zender interferometer. Furthermore, manipulating the properties of quantum heterostructures it is possible to realize light absorber working in the mid-IR, exploiting the intersubband absorption in Ge/SiGe quantum wells. I will show the approach we used in order to produce p-type Ge/SiGe quantum wells able to absorb the light at a desired wavelength in the mid-IR. Parabolic quantum wells (PQWs) are interesting structures, because the presence of equally spaced levels within the quantum well is relevant to have non-linear effects. In this work, I tried to realize Ge parabolic quantum wells by means of Low-Energy Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition. I have analysed the material with structural (XRD) and optical measurements (transmission and photoreflectance), to test the properties of the parabolic profile. Moreover, the PQWs system offer the chance to test a fundamental property of the Ge/SiGe heterointerface which is still discussed in literature, that is the band offset that generates at the heterointerface of the two materials.

Lo sviluppo della fotonica su silicio ha avuto un forte impatto sulle moderne tecnologie elettroniche, come comunicazioni integrate, interconnessioni e computing, manipolando la luce sulla scala del chip. Recentemente, la possibilità di estendere la gamma di lunghezze d'onda al medio IR, data dallo sviluppo del laser a cascata quantistica che fornisce una sorgente di luce regolabile e coerente nel medio IR, ha attirato l'interesse dei ricercatori, a causa delle diverse applicazioni realizzabili in questa regione di lunghezze d'onda, oltre alle comunicazioni di dati, come il rilevamento chimico e biologico su chip e l'ottica non lineare integrata. Pertanto, germanio, leghe SiGe ed etero-strutture Ge/SiGe sono buoni candidati per la realizzazione di elementi base per la fotonica nel medio IR, che hanno elevate prestazioni, a causa delle proprietà del materiale e del basso costo di fabbricazione, dovuti all’alta compatibilità con le tecnologie standard del silicio. Durante il mio dottorato ho sfruttato le proprietà delle leghe Ge e SiGe per realizzare dispositivi e strutture funzionanti nel medio IR. Sfruttando la trasparenza del Ge e la possibilità di manipolare dell'indice di rifrazione della lega SiGe, presenterò la realizzazione di guide d'onda funzionanti nel medio IR basate su Ge, che mostrano buone prestazioni in termini di perdite, le quali sono state utilizzate per fabbricare componenti passivi come interferometri Mach-Zender. Inoltre, manipolando le proprietà delle etero-strutture quantistiche è possibile realizzare assorbitori di luce funzionanti nel medio IR, sfruttando l'assorbimento intersottobanda in quantum wells Ge/SiGe. Mostrerò l'approccio che abbiamo usato per produrre quantum wells Ge/SiGe con drogaggio p-type, in grado di assorbire la luce nel mid-IR. Le quantum wells paraboliche (PQW) sono strutture interessanti, poiché la presenza di livelli equispaziati all'interno della PQW è fondamentale per avere effetti non lineari. In questo lavoro, ho cercato di realizzare PQW di Ge mediante la tecnica di deposizione LEPECVD. Ho analizzato il materiale con misure strutturali (XRD) e ottiche (trasmissione e fotoriflettanza), per testare le proprietà del profilo parabolico. Inoltre, il sistema PQWs offre la possibilità di testare una proprietà fondamentale dell'interfaccia etere Ge/SiGe che è tuttora discussa in letteratura, cioè l'offset di banda che si genera all'interfaccia tra i due materiali.