Amorphous silicon photodetector for integrated photonics applications

Complex photonic integrated circuits (PICs) represent the path towards the realization of platforms capable to dynamically manipulate amplitude and phase of the light and fully transform any incident optical field. In such circumstances, monitoring and measurement of light at numerous points in the optical circuit and the creation of a control system that stabilizes the working point of the PICs becomes necessary. The objective of this thesis work is to identify a technological solution aimed to implement visible light photodetectors integrated on an integrated optical platform. For this purpose the possibility of exploiting the photoconductivity properties of amorphous silicon have been explored, the use of which is well established in photovoltaic applications, nevertheless poorly exploited for the realization of integrated optical detectors. In this context, it has been executed an accurate and systematic optimization study of the optical properties of the material, deposited through Chemical Vapour Deposition (CVD) techniques, as well as integrability study on glass substrates, testing both optical and morphological properties. As a result, a calibrated deposition recipe of the amorphous silicon material has been determined, guaranteeing the desired optical properties and photoconductivity response. A proof of concept device has been realized, which is based on a thin film layer, for which the photoconductivity response has been investigated by illuminating the surface perpendicularly with a free space optical beam. The experiments have demonstrated a variation of the film resistivity of three orders of magnitude, thus constituting a feasibility proof of the proposed approach. The technological aspects regarding the integrability of the amorphous silicon on optical waveguides have been demonstrated by employing pre-existing devices based on Silicon Oxynitride (SiON) technology. The overlap between the electric field of the propagating guided mode and the photoconductive thin film of amorphous silicon has been optimized to realize in-line detectors that introduce a controllable amount of waveguide losses. Preliminary experimental results on optical waveguides have demonstrated the feasibility of the proposed device. This work has been developed at Polifab clean room facility and at the Photonic Devices Laboratory of Politecnico di Milano.

Complessi circuiti fotonici integrati(PIC) rappresentano il percorso verso la realizzazione di piattaforme in grado di manipolare dinamicamente l’ampiezza e la fase della luce e trasformare completamente qualsiasi campo ottico incidente. In tale contesto, diventa necessario il monitoraggio e la misurazione della luce in numerosi punti del circuito ottico e la creazione di un sistema di controllo che stabilizza il punto di lavoro dei PIC. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di individuare una soluzione tecnologica con lo scopo di realizzare fotorivelatori per luce visibile integrati su una piattaforma ottica integrata. A tale scopo è stata esplorata la possibilità di sfruttare le proprietà fotoconduttive del silicio amorfo, il cui uso è ben consolidato nelle applicazioni fotovoltaiche, tuttavia è ancora poco sfruttato per la realizzazione di detector ottico integrati. In tale contesto, uno studio di ottimizzazione accurato e sistematico è stato eseguito per investigare e ottimizzare le proprietà ottiche del materiale, depositato mediante tecniche di Chemical Vapour Deposition (CVD). E’ stato effettuato uno studio di integrabilità su substrati di vetro, testando sia le proprietà ottiche che le proprietà morfologiche del materiale. E’ stata determinata una ricetta di deposizione calibrata del materiale, la quale garantisca le proprietà ottiche e la risposta fotoconduttiva desiderate. Il dispositivo di prova è basato su un film sottile, per il quale la risposta fotoconduttiva è stata studiata illuminandone la superficie perpendicolarmente con un fascio ottico in propagazione libera. Gli esperimenti hanno dimostrato una variazione della resistività del film di tre ordini di grandezza, costituendo in tal modo una prova di fattibilità dell’approccio proposto. Gli aspetti tecnologici riguardanti l’integrabilità del silicio amorfo su guide d’onda sono stati dimostrati impiegando dispositivi preesistenti basati sulla tecnologia Silicon Oxynitride (SiON). La sovrapposizione tra il campo elettrico del modo guidato propagante e il film fotoconduttivo di silicio amorfo è stata ottimizzata al fine di realizzare detector in linea che introducano una perdita controllabile della guida d’onda. I risultati preliminari sperimentali su guide d’onda hanno dimostrato la fattibilità del dispositivo proposto. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato presso la camera bianca Polifab e presso il laboratorio del gruppo di dispositivi fotonici del Politecnico di Milano.