Fabrication and characterization of Ge-on-Si photodiodes

Germanium-on-Silicon photodiodes are very important for Si-based integrated photonics, as they show excellent optoelectronic properties, such as high responsivity up to near-infrared (NIR) wavelengths, and since they are compatible with Si CMOS circuits. In this thesis, Ge-on-Si p-i-n photodiodes have been fabricated and their performances have been studied. First, the fabrication process, that include optical maskless lithography, reactive ion etching (RIE) and surface passivation, has been optimized. Then, a set of photodiodes have been fabricated on a Ge/Si substrate, without any surface passivation step. After that, another set of photodiodes have been fabricated, adding the deposition of a SiN/SiO2 passivation layer on the surface. The passivated photodiodes showed a surface leakage current of 33 µA/cm, with a reduction of a factor 6 with respect to non passivated photodiodes. The responsivity of passivated photodiodes have been measured to be 0.35 A/W at 1300nm and 0.07 A/W at 1550 nm.

I fotodiodi in Germanio-su-Silicio ricoprono un ruolo importante per la fotonica integrata basata sul Si, grazie alle loro eccellenti proprietà optoelettroniche, come ad esempio l'alta responsività fino alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso, e grazie alla compatibilità con i circuiti CMOS su Si. In questa tesi sono stati fabbricati fotodiodi p-i-n in Ge-su-Si e le loro prestazioni sono state studiate. Per prima cosa, il processo di fabbricazione, che include litografia ottica, etching a ioni reattivi e passivazione della superficie, è stato ottimizzato. Dopodichè, un set di fotodiodi è stato realizzato su un campione di Ge/Si, senza passivazione della superficie. A questo punto, un altro set di fotodiodi è stato fabbricato, aggiungendo la deposizione di uno strato di passivazione di SiN/SiO2 sulla superficie. I fotodiodi passivati mostrano una corrente di perdita superficiale di 33 µA/cm, con una riduzione di un fattore 6 rispetto ai fotodiodi non passivati. La responsività dei fotodiodi passivati risulta essere 0.35 A/W a 1300 nm e 0.07 A/W a 1550 nm.