Amorphous silicon photodetectors for visible light integrated photonics

Photonic Integrated Circuits (PICs) are evolving rapidly for different applications like telecom and datacom, but also chemical, biological or spectroscopic sensors and metrology. Photonic integration has proven value that many optical functions can be realized in a much more compact, efficient and cost-effective way by integrating a large number of optical devices on a single chip. To handle such an increasing complexity, the need of a monitoring mechanism and a measurements of the light in different points of the optical circuit is growing and the aim is to have an entire control system which will help the optimization and stabilization of the working point. The importance of PICs is increasing for the new emerging applications on healthcare, biochemistry sensing and biophotonics that are visible range electromagnetic spectrum applications. Unlike telecom applications that have been consolidated during years, photonic platforms for visible applications have not been fully developed with all the building blocks. Especially the the need of integrated monitoring techniques and detection systems is growing. The aim of this thesis work is to develop a photodetector for the visible light, integrated on optics platforms. The strategy employed in this work is to exploit the optical and electrical properties of the amorphous silicon, which is widely used for photovoltaic applications and is starting to take its place in the integrated optics. The optical properties of amorphous silicon have been investigated in the visible range of light and the possibility of integration on a optical platform for visible application has been studied. The response of the material has been studied in detail with the fabrication of a testing device, with the deposition of the material on glass substrates. The photoconductivity of the material has been evaluated thanks to an experimental measuring set-up where the amorphous silicon film has been vertically illuminated at different wavelengths of the visible range (660 nm, 520 nm, 450 nm), finding the main figures of merit of the material. Finally a proof of concept device has been fabricated with pre-existing devices based on silicon nitride, proving the feasibility of the integration of the photodetector with preliminary results.

I circuiti fotonici integrati (PIC) si stanno evolvendo rapidamente per le più svariate applicazioni come telecom e datacom, ma anche chimiche, biologiche, spettroscopiche e metrologiche. L'integrazione fotonica ha dimostrato che molte funzioni ottiche possono essere realizzate in modo compatto, efficiente e a costi moderati, integrando le funzionalità richieste in un singolo chip. Quello di cui si ha ancora bisogno è un meccanismo di monitoraggio e di misurazione della luce in vari punti del circuito ottico per arrivare alla creazione di un sistema di controllo completo che aiuti ad ottimizzare e stabilizzare il punto di lavoro del circuito. L'importanza dei circuiti fotonici integrati sta crescendo per le nuove applicazioni emergenti nel settore della sanità, del rilevamento biochimico e della biofotonica, applicazioni che occupano lo spettro del visibile. Diversamente dalle applicazioni telecom che sono state consolidate durante questi anni, le piattaforme fotoniche per applicazioni nel visibile non hanno raggiunto un buon livello di maturità. In particolare c'è bisogno di fotorivelatori di controllo integrati per un completo sistema di monitoraggio. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di realizzare un fotorivelatore per luce visibile integrato su piattaforma ottica integrata. La strategia impiegata in questo lavoro è stata quella di sfruttare le proprietà ottiche ed elettriche del silicio amorfo, un materiale ampiamente utilizzato in applicazioni fotovoltaiche, che si sta facendo strada anche nel campo dell'ottica integrata. Le proprietà ottiche del materiale sono state studiate nella porzione di spettro del visibile e si è cercata una soluzione per l'integrazione del silicio amorfo su una piattaforma ottica per applicazioni nel visibile. La risposta del materiale è stata studiata in dettaglio realizzando un dispositivo di prova con la deposizione del materiale su substrati di vetro. La fotoconduttività del materiale è stata valutata grazie ad un setup sperimentale in cui il film di silicio amorfo è stato illuminato verticalmente a diverse lunghezze d'onda del visibile (660 nm, 520 nm, 450 nm) al fine di trovare le principali figure di merito del materiale. Infine un prototipo del dispositivo è stato realizzato con piattaforme già esistenti basate su nitruro di silicio, dando prova della fattibilità dell'integrazione con dei risultati preliminari.